Imagenes: CERN.
Comencemos desde el principio: ¿Qué es el LHC?
El LHC es el más grande y reciente acelerador de partículas que se ha construido. Su nombre es debido a las iniciales en inglés de Large Hadron Collider que significa Gran Colisionador de Hadrones. Fue construido en el CERN que es una institución europea para el estudio de la energía nuclear y la estructura a escalas pequeñas de la materia.
Bien, creo que ese no fue el principio. ¿Qué es un acelerador de partículas?
Puedes imaginarlo como un cañón que en vez de lanzar misiles, dispara partículas diminutas de materia. Y bueno, así como el cañón normal dispara usando pólvora, el cañón de partículas las impulsa a velocidades cercanas a la de la luz contra un blanco determinado utilizando campos electromagnéticos increíblemente poderosos.
Perfecto, entonces el LHC es un acelerador de partículas llamadas hadrones, las que son impulsadas por medio de un campo electromagnético. Pero… ¿qué son los hadrones después de todo?
Se cree que las partículas que componen la materia de la naturaleza se clasifican en dos tipos: quarks y leptones. Los quarks son partículas subatómicas que forman los protones y neutrones. Por otro lado, los electrones y neutrinos son ejemplos de leptón. Hay otro tipo de partículas llamadas bosones, las que según se piensa son las responsables que las anteriores interactúen; en el sentido que si dos partículas se atraen o se repelen, se debe al mutuo intercambio de bosones.
Recordemos que las interacciones o fuerzas entre partículas son cuatro: electromagnética, nuclear débil, nuclear fuerte y gravitacional. Para la interacción electromagnética existe el fotón; para la interacción débil hay tres partículas llamadas W+, W- y Z0 y para la interacción fuerte hay ocho gluones. Para la interacción gravitacional se supone que existe el gravitón, pero no ha sido posible encontrar una teoría consistente para la interacción gravitacional cuántica.
Resumiendo: los átomos están compuestos de quarks y leptones y, para que éstos interactúen con otros átomos, deben intercambiar bosones, ya sea en forma de fotones, gluones o partículas W+, W-, Z0.
Te prometo que te puse atención, pero la verdad es que no sé si me respondiste la pregunta.
Tranquilo. Dicho lo anterior ya estás en condiciones de entender la respuesta: un hadrón se define como un estado ligado de quarks, lo que significa que varios quarks se juntan para producir una partícula más pesada. Hay dos tipos de hadrones, los mesones y los bariones. Los primeros son agrupaciones de dos quarks (y antiquarks), mientras que los segundos son de tres. El protón y el neutrón son bariones, lo que significa que están compuestos por tres quarks.
Creo que entendí. Hadrón es el nombre génerico con el que se conoce a las partículas compuestas por quarks, tales como el protón o neutrón, y que según recuerdo del colegio son los constituyentes del átomo. Un LHC o Colisionador Grande de Hadrones no es más que un super cañón electromagnético que acelera y hace chocar contra un blanco protones y neutrones, o bien quarks y/o antiquarks. ¿Es esto correcto?
Bastante reduccionista para mi gusto, pero sí. Es correcto.
Siguiendo con nuestro diálogo asimoviano: ¿Qué me puedes decir de la llamada “Partícula Divina”?
Todo lo que he dicho anteriormente se circunscribe dentro del Modelo Estándar de la Física de Partículas, teoría consistente tanto con la mecánica cuántica como con la relatividad especial y que describe las interacciones fundamentales de las partículas elementales. Exceptuando la gravitación que es caso aparte.
Este modelo de interacciones fundamentales se ha ido construyendo gracias a un esfuerzo conjunto entre físicos teóricos y experimentales. Los primeros desarrollando la matemática del modelo, y los segundos poniéndola a prueba en los aceleradores de partículas. Uno de los resultados de esta colaboración sinérgica, es que ha sido posible explicar varias de las fuerzas fundamentales como casos particulares de una interacción aún más fundamental.
Siguiendo en esta dirección, uno de los objetivos en física es encontrar la Gran Fuerza de donde se originan la fuerza electromagnética, interacción nuclear débil y fuerte y la gravitación. A esto se le conoce como la Teoría de la Gran Unificación (TGU)… pero antes de seguir, dime ¿todo bien hasta aquí?
Creo que sí. Pero sigue con la explicación, no te detengas, mira que la curiosidad me provoca comezón…
Bien. Sucede que en la segunda mitad del siglo XX fue posible construir una teoría unificada de la interacción electromagnética con la interacción débil. Pero en esta teoría los portadores de la interacción (los bosones que ya te mencioné) tienen masa cero. Para poder dar masa a estas partículas y explicar ciertos procesos que no viene al caso explicar, por ejemplo el decaimiento beta, es necesario romper una simetría que tiene el modelo y es aquí donde entra la Partícula Divina, que formalmente recibe el nombre de Bosón de Higgs.
¿Y qué es lo que tiene de divino el Bosón de Higgs?
En primer lugar, señalar que hasta el momento la existencia de este bosón no ha sido probada. Como ya podrás intuir, la forma de encontrarlo es por medio de colisiones de partículas a altísimos niveles de energía utilizando aceleradores de partículas. Hasta que el LHC entre en funcionamiento pleno, no existe un artefacto en el mundo que genere la energía suficiente para recrear las condiciones en la que el Bosón de Higgs pueda manifestarse.
Sucede entonces que el Bosón de Higgs es una pieza clave en el Modelo Estándar. Determinar con certeza su existencia implica que el modelo es correcto y válido hasta muy altos niveles de energía. Esto tendría como gran consecuencia el hecho que la física que hoy conocemos es la misma física que sería necesaria para describir situaciones tan energéticas como los primeros momentos después del inicio del universo. Por el contrario, si a partir de los experimentos se determina que el Bosón de Higss no existe, se debería utilizar modelos alternativos para la física de partículas. Como es usual en ciencia, ambos escenarios son igualmente importantes, motivadores y un gran paso adelante en nuestra comprensión de la estructura última de la naturaleza.
¿Cuáles son los motivos para pensar que puede destruir el planeta al ponerse el marcha el LHC? ¿Cuál es esa razón para concluir que no hay riesgo?
Según la física que hoy conocemos no hay razón por la cual preocuparse. Según he oído, el peligro que se ha señalado es la creación de un agujero negro que se trague el planeta. Entonces supongamos que se crea un agujero negro en una colisión. Este tipo de predicción está basado en modelos teóricos que requieren la existencia de dimensiones extra si bien compactas, no tan pequeñas. Este modelo no ha sido probado experimentalmente por lo que en principio, y digo solo en principio, no hay evidencias de que se realice en la naturaleza.
Y qué tal si se pone en funcionamiento el LHC, se hacen colisionan partículas, hadrones, quarks, abogados y todo lo que quieras… y paf! se encuentra el Bosón de Higgs. Todo perfecto hasta que ouch! También encontramos un lindo agujero negro en medio de Europa. Chernobyl sería casi una bendición comparado con esto. ¿Qué sucede en tal escenario?
Ok, ya que te gusta la ciencia ficción sigamos con la idea de que se genere un agujero negro por una colisión. Nuevamente, el modelo en el que están basadas estas predicciones usa a la Relatividad General como teoría de gravitación en dimensiones extras. En esta teoría, según mostró Hawking, los agujeros negros emiten radiación y eventualmente desaparecen pues se llevan toda su energía. La tasa de emisión de radiación es inversamente proporcional al tamaño del agujero negro, por lo que mientras más pequeño es el agujero negro, más rápido emite radiación y más rápido entonces desaparece. Lo agujeros negros que se supone serían creados en el LHC son muy pequeños así que si Hawking tiene razón deberían desaparecer rápido y no tendrían tiempo para comenzar a tragarse la materia de a su alrededor.
Pero… ¿y en qué escenario el agujero negro que se forma es una magnitud suficiente como para tragarse el planeta?
Las preocupaciones acerca de la creación de agujeros negros en el LHC comenzaron cuando algunos científicos que trabajaban en unos modelos de compactificación predijeron que una señal de la existencia de dimensiones extras sería la creación de agujeros negros en el LHC después del choque de núcleos pesados.
En general en física de partículas lo que se calcula es algo como lo siguiente: supón que lanzas dos electrones a chocar con cierto ángulo entre ellos, entonces la física de partículas te permite calcular cuál es la probabilidad que luego del choque los electrones u otras nuevas partículas que se creen en el proceso salgan en uno u otro ángulo.
Entonces, lo que hicieron estos científicos que trabajan en esos modelos de compactificación (dimensiones extras chicas), fue calcular algo así como la probabilidad de que luego que choquen dos núcleos pesados se genere un agujero negro que salga en una dirección dada. Ahora, todos esos cálculos dependen que estos modelos sean ciertos, y la verdad es que cuando estos han sido tratados de ser aplicados al universo, digamos en cosmología, nadie ha sido capaz de predecir algo que se pueda medir (todo lo anterior dentro del modelo de compactificación). Entonces, si bien el modelo no ha sido completamente descartado, es poco probable que se realice en la naturaleza.
Este es el mismo modelo que es utilizado para predecir la existencia de agujeros negros en el LHC así que es poco probable que un objeto de estos se forme, puesto que el modelo que los predice no es del todo correcto. Ojo que este modelo de compactificación no tiene nada que ver con el modelo estándar de la física de partículas, que es algo que está más o menos bien comprobado salvo por el hecho de que no han encontrado la Partícula Divina.
¿Y si Hawking no tiene razón?
Pues llamas al Enterprise y enfilas a warp 9 rumbo al infinito y más allá…
Físicos de altas energías de la USC participan en las investigaciones del LHC
El gran colisionador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN reprodujo el pasado 30 de marzo las condiciones existentes tras el Big Bang al hacer colisionar dos haces de protones con una energía de 7 TeV (teraelectronvoltios), la mayor alcanzada en un acelerador. En los experimentos participan miles de científicos de más de 37 países, entre los que se encuentra el Grupo de Investigación de Altas Energías de la Universidad de Santiago de Compostela (USC).
CESGA // SINC Galicia 20.04.2010 12:00
Imagen: CERN.
El 30 de marzo de 2010 el acelerador de partículas más grande del mundo, el Large Hadron Collider,LHC, instalado en el CERN (European Organisation for Nuclear Research), reprodujo las condiciones existentes tras el Big Bang al hacer colisionar dos haces de protones con una energía de 7 TeV (teraelectronvoltios), nunca antes conseguida en un acelerador. Este hito en la historia de la Física de Partículas marca el inicio del programa de investigación del LHC: Seis experimentos, ATLAS, CMS, LHCb, ALICE, TOTEM y LHCf, asociados cada uno con un detector singular y destinados a analizar las partículas producidas en las colisiones. En los experimentos participan miles de científicos de grupos de investigación de más de 37 países, entre los que se encuentra el Grupo de Investigación de Altas Energías de la Universidad de Santiago de Compostela.
Dirigido por el catedrático Bernardo Adeva Andany, el Laboratorio de Física de Altas Energías de la USC es parte integrante del equipo internacional a cargo del Silicon Tracker del detector del LHCb, uno de los seis experimentos en marcha en el LHC del CERN. El grupo de la USC ha invertido 10 años en la construcción del detector interno del Silicon Tracker, el Inner Tracker, empleando instrumental y tecnología propios. Varios de sus miembros desempeñan labores de coordinación en el experimento en el CERN. EL grupo además opera un centro Tier-2 para el proceso de datos del experimento LHCb, y han desarrollando una infraestructura de computación grid para recepción y análisis de los datos, en colaboración con el Centro de Supercomputación de Galicia, CESGA, y la Universidad de Barcelona.
Detectores de silicio
El experimento LHCb investiga la falta de simetría materia-antimateria a través del estudio de las partículas que contienen el quark b (beauty quark). Los quarks b y anti-b son inestables y efímeros, descomponiéndose rápidamente en otras partículas. Durante las colisiones en el LHC se generarán por billones, y la comparación de sus desintegraciones podría aportar datos para explicar porque la naturaleza favoreció a la materia frente a la antimateria en el origen del Universo. Una posible explicación podría ser la no conservación de la simetría CP en las interacciones que tuvieron lugar en los primeros instantes del universo, debido a que las desintegraciones de quarks y antiquarks, con orientaciones opuestas de su helicidad, no tienen lugar con igual probabilidad, lo que ayudaría a explicar la ausencia de antimateria.
Datos recientes han permitido observar, por primera vez, la no conservación CP en desintegraciones de quarks pesados, e indican que ésta alcanza valores sensiblemente altos, de hasta un 30%.
A partir de ahora se generarán estadísticas suficientes para desarrollar esta teoría ya que “el experimento que se está llevando a cabo en el detector del LHCb posibilitará el estudio de más
desintegraciones de quarks b y anti-b de lo que nunca se había observado antes”,señala Adeva Andany.
El trabajo del grupo de la USC junto con los grupos de Zurich, Lausanne y Heidelberg, supuso un 25% de la construcción e instalación en el LHC del Silicon Tracker del LHCb, del que es
coordinador adjunto uno de sus miembros, Abraham Gallas Torreira. Además son responsables al 50%, con el instituto Politécnico Federal de Lausanne, de la construcción del Inner Tracker (IT),
el detector de precisión de micropistas de silicio construido por el Laboratorio de Física de AltasEnergías de la USC. Sirve para detectar las trazas de los quarks b producidos en las
colisiones y consta de más de 200.000 canales electrónicos. Los trackers están diseñados específicamente para registrar la trayectoria de cada partícula a su paso por el detector. La unión de
estos rastros dejados en las diferentes partes del detector es imprescindible para reconstruir las desintegraciones de partículas B.
A cargo de la recogida de datos del Silicon Tracker está otro miembro del grupo compostelano de Altas Energías, Daniel Esperante. El LHCb emplea un sofisticado sistema electrónico para
filtrar los datos de los 10 millones de colisiones por segundo que se registrarán en sus detectores, el High Level Trigger. Este algoritmo basado en el concepto de regiones de interés,
permite seleccionar los datos de todos los sensores procesándolos en 1000 ordenadores de 16 cores (unidades de proceso), situados en área del LHCb, reduciéndolos, tras una primera criba que
selecciona un millón de eventos por cada segundo, a cantidades más manejables, de unos 2000 eventos por segundo.
15 petabytes de datos al año
Tras conseguir la energía suficiente para reproducir las condiciones similares a las existentes en el Big Bang, se da por iniciado el programa de investigación del LHC, y con ello comienza el análisis de los 15 petabytes de datos al año que, se estima, arrojarán los experimentos. Para distribuirlos, almacenarlos y analizarlos, se ha creado el Worldwide LHC Computing Grid, (LCG), una colaboración global que combina los recursos de computación de más de 100.000 procesadores en 130 sites (centros) de 34 países, a disposición de la comunidad de físicos de altas energías. Organizada en 4 niveles (Tier), el Tier 0 está en el computador central del CERN, que recoge un primer backup de todos los datos en bruto del LHC y los distribuye a tiempo real entre los once Tier 1, que a su vez coordinan y distribuyen el envío de datos a los Tier 2. Estos son centros ofrecen capacidad de almacenamiento y de cálculo suficiente para tareas de análisis específicas, a los que acceden los científicos a través de los Tier 3, computadores individuales o clusters alojados en universidades.
En colaboración con el Centro de Supercomputación de Galicia, CESGA, y la Universidad de Barcelona, el Grupo de Física de Altas Energías de la USC opera un centro Tier-2 con un cluster dedicado en exclusiva al proceso de datos del experimento LHCb. Juan José Saborido Silva, coordinador del Proyecto de Computación GRID de la USC para el CERN, y miembro del grupo de Física de Altas Energías, considera esencial el desarrollo de una infraestructura de computación GRID para llevar a cabo el experimento en la USC. “Tanto para el análisis de la simulaciones que hemos venido realizando durante las pruebas del experimento, como ahora que empiezan a llegar los datos reales, la infraestructura grid nos ha permitido trabajar con enormes volúmenes de datos a tiempo real y disponer de recursos de computación impensables fuera del grid”. El experimento LHCb tendrá unos diez años de vida, durante los que se recogerán millones de datos que ayudarán a comprender el origen del Universo. Según Bernardo Adeva, “se podrían volver a definir las Leyes de la Física, contenidas en el Modelo Estándar de las interacciones fundamentales”.
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Del bosón W a la supersimetría
Los físicos de partículas de todo el mundo están viviendo momentos emocionantes. El LHC (Gran Colisionador de Hadrones) ha alcanzado la energía más alta jamás lograda hasta el momento para colisionar artificialmente haces de partículas, lo cual augura importantes descubrimientos. El británico Nick Ellis, responsable de la selección de datos de ATLAS (uno de los cuatro experimentos del LHC) avanzó la semana pasada en Valencia los primeros resultados obtenidos y las perspectivas de nuevos hallazgos científicos. El científico reveló que, en menos de un mes de funcionamiento, ya se han detectado partículas como el bosón W, una de las responsables de la interacción débil en la naturaleza cuyo descubrimiento requirió meses de análisis en experimentos anteriores.
Primeras partículas 'candidatas' a bosón W registradas en el experimento ATLAS. Foto: CERN.
Ellis fue invitado a participar en uno de los coloquios que organiza el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto del CSIC y la Universitat de València), que junto al Instituto de Microelectrónica de Barcelona (CNM-IMB-CSIC), el Institut de Fisica d’Altas Energies (IFAE, consorcio entre la Generalitat de Catalunya y la Universitat Autònoma de Barcelona) y la Universidad Autónoma de Madrid ha participado en la construcción de detectores y el análisis de datos de ATLAS.
Según Ellis, tras el accidente con el helio superfluido en 2008 ya superado, los científicos están gratamente sorprendidos por la respuesta del acelerador ya que, en el poco tiempo que lleva funcionando a una energía de colisión de 7 TeV (1 Teraelectronvoltio = un billón de electronvoltios), “se han podido detectar bosones W”. El bosón W es una de las partículas responsables de la interacción débil (una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza) cuyo descubrimiento constituyó uno de los mayores éxitos en los años 80 del CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas, organismo que gestiona el LHC), y supuso el Nobel de Física a Carlo Rubbia y Simon van der Meer tras un prolongado análisis.
Partículas supersimétricas
Ahora bien, al operar a niveles de energía mucho más elevados, el LHC ha sido capaz de reproducir estos resultados en menos de un mes de funcionamiento. A partir de estos “espectaculares resultados”, los científicos son “tremendamente optimistas previendo poder llevar a cabo fascinantes descubrimientos en el LHC”, aseguró Ellis. En los dos años que se mantendrá operando a la energía actual, los investigadores de ATLAS esperan obtener datos que confirmen la existencia de partículas supersimétricas, con lo que se “podría dar una explicación a la materia oscura”, que compone alrededor de un cuarto del Universo.
Sin embargo, según Ellis, “a pesar de tan prometedor comienzo, el (bosón de) Higgs será muy difícil de observar a estas energías”, por lo que los científicos previsiblemente deberán esperar hasta que el LHC alcance la energía final para la cual está diseñado, 14 TeV (7 TeV por haz de partículas), algo que ocurrirá probablemente en 2013. El bosón de Higgs es, según la teoría, el responsable de conferir masa al resto de partículas, aunque su existencia no haya sido todavía comprobada experimentalmente. Pero, además del Higgs, los científicos confían en detectar nuevas partículas o, incluso nuevas dimensiones espaciales, algo “fundamental para unificar la gravedad con el resto de fuerzas”, remarcó Ellis.
Más allá del modelo estándar
Y es que el LHC “es una máquina para descubrir”, para abrir nuevas puertas más allá del modelo estándar, el paradigma actual que describe las interacciones entre las partículas fundamentales conocidas. “Esta teoría funciona bien a una determinado escala de energía, pero cuando ésta se incrementa, ya no es consistente”, manifestó el físico británico. Por eso, el LHC es el instrumento adecuado para “buscar algo diferente de lo que está escrito en los libros de física actuales”, exigiendo para ello una mentalidad abierta por parte de los científicos.
En esta búsqueda de lo desconocido el sistema de selección de datos (denominado Trigger) juega un papel fundamental. Entre la enorme cantidad de datos resultantes de las colisiones (según Ellis, los procedentes de un solo detector de ATLAS suponen un volumen similar al del tráfico diario de comunicaciones telefónicas en todo el mundo), se seleccionan sólo aquellos que pueden revelar nuevos fenómenos. Como responsable del Trigger de ATLAS, Ellis reconoció que su desarrollo es específico para estos experimentos, aunque el trabajo en este sistema de toma de decisiones ultrarrápido es un “magnífico entrenamiento” para estudiantes que posteriormente desarrollarán su carrera en el campo de la Electrónica o la Computación.
En cuanto a la participación española en el LHC, que se coordina a través del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN, Consolider 2010), Ellis la consideró “extremadamente positiva”. Además de los centros participantes en ATLAS, en CMS participan el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC-Universidad de Cantabria) la Universidad de Oviedo y la Autónoma de Madrid. En LHCb, participan la Universitat de Barcelona (UB), la Universitat Ramon Llull (URL) y el Instituto Galego de Física de Altas Enerxias (IGFAE, Universidad de Santiago de Compostela), centro que, junto al CIEMAT, participa también en ALICE. España dispone además de un Puerto de Información Científica (PIC) del sistema de computación GRID, un consorcio formado por la Generalitat de Catalunya, el CIEMAT, la Universitat Autònoma de Barcelona y el IFAE.
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