TÓPICOS DE FÍSICA
reacciones químicas. Los quarks pasan sin ser apercibidos en la mayoría de los cursos de educación básica, aunque son partículas
LHC: Un túnel al principio de los tiempos
de
Daniel Tapia Takaki University of Birmingham
gran
importancia.
Los
quarks
se
agrupan en grupos de 2 o 3 de forma tal que el compuesto conserva una carga
Con mucho entusiasmo y devoción por algunas
eléctrica con número entero. A la pareja de
de las preguntas más fundamentales del
quarks se la llama mesón y a los conjuntos
quehacer científico de nuestros tiempos, los ambiciosos
experimentos
del
de 3 quarks, bariones. Mesones y bariones
programa
son
internacional LHC estarán listos en 2007 para
hadrones,
explorar todas y cada una de las cuestiones que
conjunto es
decir,
conocidos las
como
partículas
interacción fuerte. La rama de la ciencia
nuevo acelerador de partículas considerados
que estudia las partículas más pequeñas en
una de las maravillas tecnológicas del mundo
el Universo y las fuerzas entre ellas se
moderno.
conoce como física de altas energías o de partículas elementales. Estas partículas
¿Qué es el universo? o la estructura de la
existieron en los momentos tempranos
materia entendimiento
científico
después del Big Bang que, según las teorías
del
de mayor aceptación científica, dio origen
Universo involucra el estudio de la materia
al
que contiene y de las interacciones que lo
elementales.
En
la
actualidad
estas
cósmicos altamente energéticos producidos
ordinaria son leptones y quarks. Estas son meramente
Universo.
partículas sólo se encuentran en los rayos
gobiernan. Los constituyentes de la materia
partículas
su
subatómicas que experimentan la llamada
sea posible estudiar con sus detectores y un
El
en
en el espacio exterior, o como producto de
No
los aceleradores de partículas. Estudiando
tienen estructura interna y representan
todas las piezas que provienen de un gran
bloques fundamentales de 12 partículas
número de colisiones en los aceleradores de
que forman todo lo observable. Entre los
partículas se puede aprender sobre las
leptones encontramos al famoso electrón,
partículas y las fuerzas. Estas fuerzas
bien conocido en la electricidad y las 13
gobiernan el comportamiento de todo lo
encuentra en construcción, iniciará sus
que conocemos en el Universo desde su
operaciones en noviembre de 2007. El LHC
creación. Es por esto que existe una
colisionará protones e iones pesados. El
relación
de
protón es una partícula en el corazón de los
partículas y la cosmología, dos de áreas
átomos que se clasifica como un hadron
más
de
dado que esta formado por un conjunto de
investigación en física actualmente. Con el
tres quarks (barión); un quark d (abajo –
programa
de
down) y dos quarks u (arriba –up). Este
partículas, se tratará de comprender qué es
acelerador esta instalado en un túnel de 27
el universo y cómo se creó.
kilómetros de circunferencia. Dos haces
estrecha
entre
fundamentales
del
y
nuevo
la
física
excitantes
acelerador
independientes
giraran
en
direcciones
El acelerador más grande y potente jamás
opuestas a lo largo del túnel durante un
construido
período largo, compartiendo los imanes
Ubicado en la frontera entre Suiza y
superconductores
responsables
de
su
Francia, el CERN es el laboratorio de
aceleración y orientación. Los protones
investigación en física de partículas de la
llegarán a una velocidad muy cercana
Organización
la
(99.999997828%) a la de la luz, y tendrán
comunidad
tanta energía como un tren de carga de 800
científica lo considera un modelo de
toneladas a 100 kilómetros por hora. Una
colaboración internacional y uno de los
energía liberada de 14
centros de investigación más importantes
electrón-volts nunca antes producida en el
en el mundo. Es un lugar donde expertos
laboratorio.
Investigación
Europea Nuclear.
para La
de todo el mundo pueden participar en un
Los
aceleradores
000 000 000 000
usan
campos
proyecto común. En octubre de 2004 se
eléctricos ondulatorios muy potentes para
celebró su medio siglo de existencia. El
dar energía a los haces de partículas, y
primer acelerador en el CERN comenzó a
campos magnéticos para guiarlos. Existen
funcionar en 1956; el Gran Colisionador de
muchas clases de detectores dentro de los
Hadrones
Hadron
experimentos del LHC. En general, se
Collider o LHC) en estos momentos se
miden las trayectorias, las energías y las
(en
inglés,
Large
14
identidades de ciertas partículas para
colisiones
reconstruir el evento que ocurrió en cada
representa una gran reducción, el total de
colisión. Los detectores internos miden el
los
momento de cada partícula cargada usando
aproximadamente una pila de CDs de 20
tecnología de silicio; los calorímetros miden
kilómetros de alto, es decir, más del doble
la energía que llevan las partículas; en unos
de alto que el Monte Everest, 15 PB (15
casos se tiene un espectrómetro de muones
millones de Gigabytes) por año. El inmenso
que identifica y mide el momento de los
número de partículas producidas también
muones. En otros, los muones se detectan
significa que las componentes de los
usando los diámetros exteriores del mismo
detectores necesitan ser extremadamente
detector. El sistema magnético permite
robustas. Los elementos de cada detector
doblar a las partículas cargadas para la
individual necesitan ser lo más pequeño
medición de su momento.
posible de tal forma que las partículas que
datos
por
que
segundo.
serán
Aunque
almacenados
esto
es
El diseño de los detectores del LHC
atraviesan los detectores sean observadas
ha sido un reto sin precedentes. En las casi
independientemente. La alta energía de las
1000 millones de colisiones cada segundo,
colisiones requiere que los detectores sean
sólo una pequeña cantidad tendrá las
grandes para guardar la información de
características especiales que llevarán a
todas las trayectorias y decaimientos de las
nuevos descubrimientos. Cada detector
partículas. Uno de los experimentos del
observará hasta 600 millones de colisiones
acelerador conocido como CMS, cuya letra
cada segundo. Partículas que provengan de
”C” viene de “compacto”, tiene un peso de
una colisión tendrán que viajar a través de
12,500 toneladas, el equivalente a 40
un detector cuando la siguiente colisión
grandes aviones.
ocurra. El sistema de trigger selecciona
El LHC tiene en la actualidad 6
tales eventos para ser guardados y evitar
experimentos aprobados conocidos por sus
almacenar
de
acrónimos como ALICE, ATLAS, CMS,
información innecesaria. Esta electrónica de
LHCb, TOTEM y LHCf. También existe
los detectores y cómputo de procesamiento
una propuesta conocida como MOEDAL
en línea puede filtrar
que buscaría ciertas partículas exóticas
una
cantidad
inmensa
alrededor de 100 15
como son los monopolos magnéticos,
estado donde se formaron los protones y
cargas magnéticas libres planteadas por
neutrones es de un gran interés para
Paul Dirac en 1931.
entender cómo se produjo la evolución de la materia en el Universo e igualmente para
El experimento ALICE: desde el Big Bang
tener un mejor entendimiento de las
hasta los Little Bangs
fuerzas fundamentales de la naturaleza.
En
los
del
El área de la física que estudia las
Universo la materia se encontraba en
interacciones fuertes se conoce como QCD
condiciones muy extremas de temperatura,
(por
presión y densidad. La mezcla tenía una
Chromodynamics). Uno de los fenómenos
temperatura 100,000 veces más alta que la
más interesantes que ocurren en QCD es
temperatura del centro del sol. El Universo
conocido
se
cuando
expandió
primeros
instantes
abruptamente,
y
como
sus
siglas
como dos
en
inglés,
“libertad
quarks
Quantum
asintótica”;
se
encuentran
consecuencia la temperatura disminuyó
considerablemente
muy rápidamente, tal cual sucede en la
diámetro del protón (aproximadamente 10-
actualidad con un gas ordinario. Después
13
de cerca de 10 microsegundos de esa gran
interacción fuerte. Este comportamiento es
explosión que formó al Universo, los
opuesto a lo que ocurre con otras fuerzas
quarks y los gluones (portadores de la
como la gravedad o el electromagnetismo
interacción fuerte) fueron aprisionados en
que operan a través de grandes distancias.
lo que hoy conocemos como los hadrones.
La libertad asintótica es un fenómeno muy
Un
las
importante a altas temperaturas cuando las
propiedades de un material es conocido
partículas se encuentran muy juntas unas
como una transición de fase (como lo que
de otras y ocurren colisiones de altas
sucede del cambio de estado de agua
energías
líquida a hielo). La transición de fase de
cálculos, cuando la temperatura exceda 1
esa “sopa caliente de quarks y gluones”
000 000 000 000 grados Celsius, los quarks y
conocida como Plasma de Quarks y
los
Gluones (por sus siglas en inglés, QGP) al
independiente y los quarks dejan su prisión
cambio
tan
repentino
en
16
más
cerca
que
el
centímetros), sienten una reducción de la
constantemente.
gluones
actúan
Según
de
los
manera
en el interior de los hadrones. Para
simular
condiciones
CERN anunciaron en el año 2000 la
extremas en el laboratorio, se deben de
creación de lo que creemos es el QGP.
recrear
Durante
dichas
estas
Experimentos en el acelerador SPS del
enormes
temperaturas,
los
últimos
cinco
años,
densidades y presiones que existieron al
experimentos en el Colisionador Relativista
principio del Universo. Un ejemplo de los
de Iones Pesados (por sus siglas en ingles,
fenómenos que se esperan observar en un
RHIC)
plasma de quarks y gluones es lo que
condiciones a pequeña escala usando
ocurre con lo que se conoce como la
núcleos de átomos de oro. Una de las
modificación
de
sorpresas encontradas recientemente es que
fragmentación”. Durante una colisión, un
el medio que se ha producido en los mini
par de quarks moviéndose rápidamente
bangs se comporta no como un gas sino
puede
condiciones
como un líquido casi perfecto, es decir sin
normales, este par se desintegra en dos
viscosidad. Quizá el líquido más perfecto
chorros de partículas ordinarias. En la
que se haya creado.
presencia de un estado de QGP, el par
implican que los modelos del Universo
perdería alguna parte de su energía y el
muy temprano deben de ser revisados,
chorro de partículas sería diferente. La
como también algunas de las suposiciones
detección de este chorro de partículas
realizadas en ciertos cálculos relacionados
permitiría la reconstrucción de una imagen
con quarks y gluones.
ser
de
liberado.
la
“función
Bajo
de la materia emitida por ellos, en la misma
ha
recreado
también
estas
Estos resultados
Con una colaboración formada por
forma que una radiografía da el negativo
1,000
de la imagen de unos rayos-X pasando a
colisionando un gran número de núcleos
través del cuerpo humano.
de plomo, ALICE será el experimento en el
Durante tres décadas de experiencia colisionando
pesados
30
naciones,
y
LHC dedicado al estudio de física de iones pesados. Un estado de QGP se produce en
energías se ha visto producir un estado de
equilibrio termodinámico y al ser creados
materia con densidades muy superiores a
en
la
rápidamente debido a las interacciones
hadrónica
a
de
altas
materia
núcleos
miembros
ordinaria. 17
el
laboratorio
desaparecen
muy
fuertes. El tiempo de vida del estado de
fue propuesta por primera vez a finales de
QGP en ALICE será mucho más grande
la década de los sesenta, por Peter Higgs,
que en experimentos anteriores. Por estas
físico de la Universidad de Edimburgo, en
razones no solo será capaz de producir el
Escocia. El hallazgo del Bosón de Higgs es
plasma de quarks y gluones sino de
considerado como una alta prioridad del
estudiar en detalle sus propiedades. ALICE
Gran Colisionador de Hadrones y en
podría ir un paso más y experimentar
particular de los experimentos ATLAS y
directamente con la estructura misma del
CMS. Aunque el Bosón de Higgs se podría
vacío. La teoría de interacciones fuertes se
crear en las colisiones cada día, se
conoce
necesitara una enorme habilidad para
sólo
parcialmente
pero
sus
consecuencias o manifestación son muy
poder describir esta elusiva partícula.
difíciles de predecir. El experimento ALICE
Cuando
esté
finalizado,
ATLAS
estudiará un territorio totalmente nuevo y
tendrá 25 metros de alto por 47 de largo y
de alguna manera inexplorado por la física.
pesará unas siete mil toneladas, tan alto como un edificio de cinco pisos. A pesar de
ATLAS Y CMS, en la búsqueda del origen
tener objetivos de física comunes, CMS y
de la masa
ATLAS
han
optado
por
un
diseño
El bosón de Higgs, denominada la
radicalmente distinto para el diseño del
"partícula divina" por el premio Nóbel de
sistema magnético de los detectores. CMS
Física Leon Lederman, podría explicar por
ha construido su detector alrededor de un
qué todas las otras partículas tienen masa.
gran imán solenoide que generan un
Es
campo
una
forma
para
validar
el
bien
magnético
aproximadamente
establecido “modelo estándar” de física
100,000 veces más grande que el del
que explica la naturaleza de las partículas y
planeta tierra. Con una geometría distinta,
sus interacciones. Según esta teoría todas
ATLAS es 8 veces el tamaño de CMS pero
las partículas adquieren su masa a través
pesa sólo un poco más de la mitad de CMS.
de interacciones con un campo de fuerza (o campo de Higgs) que se extiende por todo
LHCb: materia y antimateria
el Universo. La existencia de la partícula
LHCb va a estudiar las diferencias 18
entre la materia y la antimateria, ayudando
chubascos de partículas y en particular
a entender porque vivimos en un Universo
fotones, tal como ocurre en la atmósfera
dominado principalmente por la materia.
con las partículas cósmicas producidas en
Un desequilibrio que no ha sido posible
el espacio exterior. Un análisis de estos
entender. La explicación completa parece
chubascos
provenir de una nueva física que será
interpretación
revelada en el LHC recreando el momento,
experimentos dedicados al estudio de rayos
que existió hace billones de años atrás,
cósmicos a gran escala, éstos pueden llegar
donde las partículas llamadas quark b y
a tener miles de kilómetros cuadrados.
puede y
ayudar
en
calibración
la de
antiquark b fueron producidos en pares. El LHC va a producir partículas conteniendo
Agujeros negros, supersimetría y materia
estos y otros quarks en gran abundancia.
oscura
Estas se desintegran muy rápido. Para
Algunos científicos creen que el
observarlos, el LHC ha desarrollado un
Universo tiene más dimensiones de las que
sistema de detectores muy sofisticado.
uno conoce. Si el acelerador LHC abre momentáneamente dimensiones extras, se podría comprimir de alguna manera la
TOTEM y LHCf, otras criaturas TOTEM va a observar protones que
materia en gran medida de tal forma que se
colisionan con otros protones pero no se
crearía pequeños agujeros negros. No hay
transforman en otra clase de partículas. Un
motivo para pensar que estos agujeros
buen entendimiento de estos procesos es
negros artificiales vayan a destruir al
esencial para interpretar otros resultados
CERN y seguidamente al planeta. Por otro
del LHC, y se espera que ayude a abrir una
lado, una de las hipotéticas nuevas áreas en
ventana a nuevos e interesantes fenómenos.
el campo es la supersimetría. Bajo el
LHCf, por otro lado, es un tipo de
modelo estándar de física, todas las
experimento muy diferente que va a usar
partículas fundamentales se clasifican en
los protones del LHC para simular los
dos grupos: fermiones, que constituyen la
rayos cósmicos. Estudiando como los
materia, y bosones, los portadores de las
choques de protones pueden producir
fuerzas que actúan en la materia. Según la 19
teoría de la supersimetría, cada fermión
las colaboraciones de experimentos del
tiene un “supercompañero” que es un
CERN así como otros otorgado a físicos
bosón. Y cada bosón, a su vez, tiene un
involucrados en trabajo del CERN. Es
“supercompañero”
probable
fermión.
No
existe
que
mucho
descubrimientos
de fenómeno. El LHC espera dar respuesta
aplicación práctica pero el solo hecho de
a estas hipótesis. La supersimetría también
hacer algo excepcionalmente difícil ha
podría explicar un misterio en la naturaleza
requerido la innovación en tecnología, cuya
conocido como la materia oscura que
aplicación todavía no sabemos cómo puede
constituye alrededor del 25% del Universo.
cambiar o revolucionar ciertas áreas de la
La materia oscura no ha sido observada
sociedad. En estos momentos CERN es el
directamente en el laboratorio.
líder de “El Grid” que permite usar los
Otros logros en el CERN
de
impliquen
los
todavía ninguna observación experimental
recursos
no
de
cómputo
de
alguna
muchas
computadoras conectadas por medio de la
El gigantesco experimento no sólo es
red alrededor del mundo para de resolver
responsable del estudio de las colisiones de
problemas computacionales a gran escala.
partículas para tratar de comprender qué
Por otro lado, el LHC como tema de
es el universo y cómo se creó. El CERN fue
divulgación científica representa una gran
responsable del nacimiento de la world
oportunidad en la comunidad de física
wide web (www), diseñada en 1990 para
para atraer al público y estudiantes para
permitir a sus científicos acceder a los datos
aprender y charlar sobre el Universo en el
sin tener en cuenta su ubicación geográfica
que vivimos.
y el tipo de sistema de cómputo. Los escaners médicos más avanzados que se
Cuenta atrás para la primera colisión
encuentran en los hospitales han sido
Cada sociedad ha aportado en su
desarrollados por personas dedicadas a
momento a formular preguntas y buscar
estudio de las partículas y el desarrollo de
respuestas sobre los misterios del Universo.
aceleradores. El premio Nobel de física ha
Se ha progresado bastante desde que
sido otorgado en dos ocasiones a físicos de
Demócrito sugiriera, en el siglo quinto 20
A.C.,
que
todo
estaba
formado
El sucesor se aproxima
por
unidades indivisibles llamada átomos. La
A pesar de que el LHC no inicia
comunidad de física de partículas parece
operaciones hasta finales del presente año y
ser bastante diferente a lo que fue hace dos
a pesar de tener un programa de análisis de
décadas. Se ve grandes retos en términos
física
del
sus
(Colisionador Lineal Internacional, por sus
experimentos, y la organización de sus
siglas en inglés) es un proyecto en
colaboraciones. En el proyecto del LHC,
discusión que se dice ser el sucesor del
111 naciones se encuentran involucradas en
LHC. El Gran Colisionador de Hadrones es
el diseño, construcción y prueba del equipo
considerado
y
los
“descubrimientos”, con objetivos generales
experimentos y análisis de datos. La
que abrirá nuevas áreas de física y
aportación mexicana al LHC se encuentra
demostrará la posible existencia de nuevas
en los experimentos ALICE
y CMS. Un
leyes, así como de ciertas partículas. Por
consorcio de instituciones formado por el
otro lado, el ILC será un instrumento de
CINVESTAV, la UNAM, la Universidad
precisión que permitirá explorar en detalle
Autónoma de Puebla, y la Universidad de
los descubrimientos hechos por el LHC. La
Sinaloa
El
ubicación de esta nueva máquina no ha
CINVESTAV, la Universidad de San Luís
sido acordada hasta el día de hoy. Un buen
Potosí, la de Puebla y la Iberoamericana
número de pruebas de diseño e innovación
son parte de la colaboración CMS. Estos
tecnológica
grupos
detectores se desarrolla en diversas partes
tamaño
software,
y
complejidad
participando
colabora
se
en
de
en
ALICE.
encuentran
trabajando
y
componentes
de
participantes.
La
como
en
décadas,
una
fecha
Referencias •
se
Sitio web del CERN, http://www.cern.ch
aproxima para iniciar la toma de los primeros datos experimentales.
21
el
máquina
instrumentación
dichos
experimentos junto con colegas de otras naciones
dos
del mundo.
activamente en el desarrollo de ciertos detectores
para
ILC
de
de
•
E-mail:
[email protected]
Sito web sobre el LHC mantenido por instituciones británicas, http://www.lhc.ac.uk/
•
Sitio web del experimento ALICE, http://aliceinfo.cern.ch
•
Sitio web “Particle Adventures” del Particle Data Group, http://www.particleadventure.org/
El autor. Es egresado del programa de licenciatura y maestría
en
ciencias
(física)
de
la
Universidad de Sonora. El autor comenta que él conoció sobre la carrera de física por primera vez gracias a una ejemplar de esta revista. Actualmente se encuentra en su último
año
de
doctorado
en
física
experimental de altas energías en la Universidad de Birmingham, Inglaterra. Su trabajo de investigación lo lleva a cabo en el experimento ALICE del CERN. Trabaja en la preparación de la primera física de ALICE y en tareas de la comisión del sistema central del trigger del experimento. El autor agradece los comentarios del Dr. Orlando Villalobos Baillie, del Dr. Gerardo Herrera Corral y de Pablo del Amo Sánchez a este artículo.
22
