El Acelerador de Partículas

Cuando estaba preparando mi artículo sobre la alquimia, encontré información sobre el acelerador de partículas que indicaba que a través de él se había logrado transformar metales en oro. Sabía que escribiría un  artículo sobre ese acelerador y que trataría de entender en qué consistía.

Un acelerador de  partículas utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades.  Los haces de protones son acelerados en el colisionador en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99.99% de la velocidad de la luz y hacer que choquen con otras partículas para generar nuevas partículas.  Estas nuevas partículas son, por lo general, muy inestables y duran menos de un segundo pero en ese tiempo se trata de estudiarlas.  Al chocar entre sí producen energías muy altas a escalas subatómicas.  Se considera que así se simulan eventos ocurridos justo después del Bing-Bang y se puede recrear a pequeña escala lo ocurrido.  Se pretende explicar a través de estas investigaciones cómo se formó la materia y cómo se afectan la energía, el espacio y el tiempo.  Estos temas han ocupado la mente de muchos por años y siguen siendo esenciales para entender el universo, la historia, la vida y hasta a nosotros mismos.

Hay aceleradores circulares y hay otros que son lineales.  El tubo de rayos catódicos de una televisión antigua es un acelerador lineal ya que acelera electrones.  Los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas en el siglo XIX por James Clark Maxwell.

La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN – Conseil Européene pour la Recherche Nucléaire) es una organización internacional con más de 10.000 científicos de diversos países que se encuentra en Suiza y cuyo propósito es operar el mayor laboratorio de investigación física de partículas del mundo. Este centro se puede visitar.  Entre los aceleradores que opera el CERN desde hace 7 años se encuentra el LHC (Large Hadron Collider – Gran Colisionador de Hadrones) que es el acelerador de partículas más grande que ha sido creado por el hombre, tiene 27 kilómetros de circunferencia y se encuentra bajo tierra entre Francia y Suiza, a una profundidad de entre 50 y 150 metros. Su construcción comenzó en 1995. A partir del 2010 comenzó a cumplir su misión.  El LCH es circular y está compuesto de dos tubos al vacío que contienen protones que viajan en direcciones opuestas y tienen imanes electromagnéticos que sincronizan los paquetes de protones entrantes con los que ya se encuentran allí.  Más de 2000 físicos de 34 países  y cientos de universidades y laboratorios participaron en la construcción del LHC.

Todo el proceso comienza con una botella de gas de hidrógeno comprimido. Los átomos de hidrógeno del cilindro de gas se alimentan a una tasa controlada y precisa en la cámara de origen del acelerador lineal LINAC 2.  Se compara al LINAC 2 con la primera etapa de un enorme cohete donde por la aceleración inicial los átomos son despojados de sus electrones y sólo quedan los núcleos de hidrógeno que están compuestos de protones y tienen una carga positiva que les permite ser acelerados por un campo magnético. Estos protones viajan a un  tercio de la velocidad de la luz.  En la segunda etapa, estos protones entran en el “booster” que es circular y con unos 257 metros de circunferencia.  Los protones se dividen en 4 paquetes, uno para cada anillo del “booster” para maximizar su intensidad.   Hay electroimanes que ejercen fuerza sobre los protones que pasan perpendicularmente a la dirección del movimiento.  El “booster” acelera los protones hasta un 91.6% de la velocidad de la luz y los comprime.  Se vuelven a combinar los 4 paquetes de protones que, en la tercera etapa, se dirigen al sincrotrón de protones que también es circular y tiene una circunferencia de 128 metros. En solo dos segundos de circulación los protones alcanzan el punto de transición a una velocidad superior al 99.9% de la velocidad de la luz.  La energía añadida a los protones por el campo eléctrico intermitente no se traduce en un aumento de velocidad.  Como ya se está llegando al máximo de la velocidad de la luz, lo que se produce es un aumento en masa de los protones que se hacen más pesados.  La energía cinética microscópica de cada protón se mide en unidades llamadas electrovoltios y con este proceso se aumenta la energía de cada protón a 25 giga electrovoltios (GeV), es decir, los protones ahora son 25 veces más pesados que cuando están en descanso.  De aquí los paquetes de protones pasan a la cuarta etapa que es el super sincrotron de protones que es un anillo de 6,9 kilómetros de circunferencia diseñado para acelerar los protones para llevarlos a los 450 GeV.  Cuando llegan a este nivel son lanzados al gigantesco colisionador de hadrones LHC.  Los haces de protones se cruzan en 4 cámaras de detectores en las que se les hace colisionar frontalmente.  La energía de la colisión es el doble de la que los protones opuestos llevan.  A los restos de estas colisiones se les hace un seguimiento. El PSPS inyecta protones una hora.  Al final quedan unos 2808 paquetes. El LHC añade energía extra para cada protón.  La velocidad alcanzada es tan cercana a la velocidad de la luz que los protones pasan unas 11000 veces por segundo por alrededor del anillo de 27 kilómetros.  Los paquetes tienen un impulso de energía en cada revolución del campo eléctrico pulsante.  Finalmente cada protón tiene una energía de 7 tera ev y es 7000 veces más pesado que cuando está en reposo.  La fuerza magnética necesaria para mantener el haz de protones dentro del anillo es tan enorme que casi 12000 amperios deben fluir a través de sus electroimanes.  La temperatura del tubo y el LHC está más fría que el espacio.  Esta temperatura hace que los imanes se conviertan en super conductores.  En ese momento los protones están preparados.  Al chocar en los detentores,  un imán los direcciona a un curso de colisión. La energía total de dos protones que chocan en el LHC es de 14 TeV y se dice que reproduce estados similares a los momentos después del Bing Bang.  Las trazas que estas partículas dejan después de la colisión son analizadas por computadoras conectadas a los detectores.  Se espera que esto ayude a entender el nacimiento de nuestro universo y su evolución.   Es posible que las investigaciones que se realizan puedan ayudar a explicar de dónde venimos y hacia adónde vamos.  Se espera que el proyecto genere 27 terabytes de datos por día.  Esto es de 10 a 15 petabytes por año que se tendrían que procesar en 100.000 cpus distribuidos en todo el mundo. 

El 4 de julio de 2012 se pudo confirmar a través de este sistema la existencia de la partícula denominada el Bosón de Higgs, también conocida como la “Partícula de Dios”, que permite entender cómo las otras partículas adquieren propiedades como la masa. Así se forman los átomos que conforman el universo.  Este es un paso para el camino de la unificación de la física y para el estudio de muchos fenómenos físicos  como la naturaleza de la materia oscura  que se dice compone el 23% del universo.

Stephen Hawking advirtió que el espacio y el tiempo podían colapsar a altos niveles de energía.  La “Partícula de Dios” podría terminar destruyendo al mundo. Sin embargo, también dijo que esto no es posible por el momento porque se necesitaría un acelerador de partículas del tamaño de la tierra lo cual, por ahora, no parece posible.

La investigación que se está llevando a cabo con respecto a la aceleración de partículas puede ser muy relevante para el ser humano y para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, y la tecnología electrónica, entre otras ramas. Esperemos que la sabiduría reine y que el conocimiento y el poder permanezcan en manos de personas que amen nuestro mundo y lo protejan, respetando la naturaleza y dándole prioridad al interés  de la humanidad y no a sus propios intereses.

Prendamos una vela y pasemos la luz!