Arranca el LHC

FOTO: CERN.

Casi 30 kilómetros de circunferencia y una profundidad de entre 50 y 150 metros bajo tierra son las dimensiones del LHC, el acelerador de partículas que durante los próximos días el Laboratorio Europeo para la Física de Partículas pondrá en funcionamiento. El proyecto espera encontrar respuesta a muchas de las grandes preguntas que la ciencia ha ido generando a lo largo de su historia en torno al univeso. María Chamizo, doctora en Física de Partículas e investigadora del CIEMAT en el CERN, repasa las características del ingenio, sus objetivos, las posibilidades que abrirán sus experimentos y sus aplicaciones más inmediatas.

Este verano entrará en funcionamiento el acelerador más potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC en sus siglas en inglés). El LHC está situado en la frontera franco-suiza y con su puesta en funcionamiento se espera encontrar respuesta a preguntas fundamentales sobre el origen del Universo: ¿De qué está constituido? ¿Cómo ha evolucionado? ¿Por qué algunas partículas son más pesadas que otras?¿De qué está formada la materia oscura en el Universo? Lo que se descubra con este nuevo acelerador nos permitirá comprender mejor el Universo y las teorías que explican cómo evolucionó.

En el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) los físicos exploran la materia con ayuda de los aceleradores de partículas. Estas máquinas aceleran los haces de partículas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz y los hacen colisionar con el objetivo de recrear las condiciones de intensa energía que se dieron en los primeros instantes del Universo.

El túnel.
El LHC está instalado en un túnel de 27 km de circunferencia, a una profundidad que oscila entre 50 y 150 metros bajo tierra. Por este anillo se acelerarán protones, o iones de plomo, en sentidos opuestos hasta una velocidad del 99.9% de la velocidad de la luz, en un vacío comparable al espacio sideral. En cuatro puntos del anillo se provocarán choques frontales entre los protones (o iones de plomo) que circulan en direcciones opuestas.

El LHC es una máquina pensada para concentrar la energía en un espacio muy reducido. Las energías de las partículas del LHC se miden en teraelectronvoltios (TeV). Las colisiones de protones en el LHC se producirán a una energía total de 14 TeV y los iones de plomo, compuestos por muchos protones, alcanzarán una energía total de 1150 TeV. Un TeV es más o menos la energía de un mosquito volando, pero un protón es aproximadamente tres billones de veces más pequeño. ésta será la primera vez que se alcancen dichas energías en condiciones de laboratorio.

Para controlar estos haces tan energéticos, el LHC utilizará unos 1.800 sistemas de electroimanes superconductores hechos de niobio y titanio. A bajas temperaturas estos electroimanes pueden conducir la electricidad sin resistencia. Los electroimanes del LHC funcionarán a una temperatura de sólo 1,9 °K (-271 °C).

Las colisiones se producirán en cuatro puntos del anillo subterráneo y se registrarán en cuatro grandes detectores cuya construcción ha supuesto un desafío tecnológico sin precedentes: ATLAS, CMS, LHCb y ALICE. En ellos se registrarán los productos de la colisión y se podrán estudiar nuevos fenómenos relacionados con la materia, la energía, el espacio y el tiempo.

En cada punto de interacción se producirán unas 1.000 millones de colisiones por segundo, pero sólo alrededor de 100 tienen las características especiales que pueden llevar a un descubrimiento. Para ello ha sido necesario desarrollar un sistema electrónico de disparo y de adquisición de datos muy sofisticado que seleccione solamente esos sucesos para evitar grabar en disco una cantidad inmensa de información innecesaria.

El Universo.
Los elementos básicos que constituyen la materia son minúsculas partículas, más pequeñas que los átomos. Cuatro de estas partículas elementales son suficientes para constituir el mundo que nos rodea: el quark up, el quark down, el electrón y el neutrino del electrón. Sin embargo, en la naturaleza existen otros tipo de partículas que se observan, por ejemplo, en los rayos cósmicos o que se han observado en aceleradores anteriores. En total, sabemos que existen doce tipos de partículas que forman los dos grandes grupos de partículas elementales: los quarks y los leptones.

Existen, sin embargo, numerosas cuestiones sin resolver que expliquen por qué el Universo es tal y como lo conocemos hoy, por qué la materia dominante en el Universo es de un tipo desconocido, la llamada materia oscura, por qué las partículas tienen masa, si existen dimensiones adicionales en el espacio, micro-agujeros negros o las propiedades de la materia densa y caliente que existió en los primeros instantes del Universo. En el LHC se sondeará la materia más profundamente que jamás hasta ahora y se recrearán las mismas condiciones que existieron en el Universo una milmillonésima de segundo después del Big-Bang.

La antimateria.
Instantes después del Big Bang la materia y la antimateria (partículas con la misma masa que las partículas de materia) pero con carga opuesta, existían en cantidades iguales en el Universo de forma que toda la materia tendría que haber sido aniquilada por su homóloga la antimateria. Afortunadamente esto no ocurrió, la naturaleza favoreció la materia y una fracción minúscula de ésta es lo que dio origen a nuestro Universo, las galaxias, el sistema solar con nuestro planeta y a nosotros mismos. Las ligeras diferencias de comportamiento entre la materia y la antimateria que se han observado hasta el momento no son suficientes para explicar el exceso de materia del Universo.

Otra de las grandes incógnitas sin resolver sobre el origen del Universo es el origen de la materia oscura. A través de las observaciones realizadas utilizando telescopios situados en la superficie de la Tierra o en el espacio se ha comprobado que la materia visible representa sólo un 4% del toda la materia existente en el Universo. Los resultados que se obtengan tras la puesta en funcionamiento del LHC podrían ayudarnos a entender las diferencias que hicieron que nuestro Universo sea tal y como es hoy.

El bosón de Higgs.
La razón por la que las partículas elementales tienen masa y por qué las masas son tan diferentes entre ellas es un enigma sin resolver hasta el momento. La respuesta podría ser el llamado mecanismo de Higgs, propuesto, entre otros, por el físico Peter Higgs en 1960, que explicaría las fuerzas de interacción entre las partículas y el origen de sus masas. Esta teoría predice la existencia de, al menos, una nueva partícula, el bosón de Higgs cuya existencia no se ha detectado hasta ahora. Si esta partícula existe podría producirse tras las colisiones de los dos haces en el LHC.

Una red de ordenadores.
Para el tratamiento de las enormes cantidades de datos que generará el LHC, los físicos, junto con expertos de la industria, están desarrollando una nueva tecnología de redes llamada GRID, que agrupará decenas de miles de ordenadores de todo el mundo, creando un vasto y global sistema informático para los experimentos del LHC. El GRID permitirá a miles de centros de investigación y universidades compartir sus recursos de almacenamiento de datos y capacidad de proceso de datos, transformando Internet en un gigantesco superordenador y generando capacidad para la ciencia del futuro.

Un proyecto internacional.
Al proyecto LHC contribuyen más de 10.000 científicos e ingenieros de unas 500 instituciones académicas y empresas del mundo. El CERN invierte unos 6.000 millones de francos suizos (casi 4.000 millones de euros) al año en nombre de sus estados miembros (Alemania, Austria, Bélgica, Bulgaria, República Checa, Dinamarca, Eslovaquia, España, Finlandia, Francia, Grecia, Holanda, Hungría, Italia, Noruega, Polonia, Portugal, Reino Unido, Suecia y Suiza). Esto incluye el acelerador, la informática y la mano de obra, así como la contribución del CERN a los experimentos.

Continuando con sus investigaciones hasta los límites del conocimiento, el CERN empuja las fronteras de las tecnologías. Los resultados, en campos que van de la informática a la ciencia de materiales, encuentran muy diversas aplicaciones. Las técnicas de diagnóstico y tratamiento del cáncer se han beneficiado enormemente de los avances desarrollados en física de partículas. La Web se inventó en el CERN para ayudar a los físicos de todo el mundo a comunicarse entre ellos. Ninguna de las partes involucradas en su desarrollo podría haber imaginado la multitud de aplicaciones prácticas y comerciales que tiene hoy en día. De manera similar, aunque es difícil imaginarlo ahora, el GRID podría ser parte de la vida diaria de la gente dentro de una década.