Por: Alfonso Padilla Vivanco
Desde que el físico neozelandés Ernest Rutherford (1871-1937) descubrió, hace más de un siglo, que un átomo no es indivisible y que éste está formado por un núcleo y electrones que lo rodean, mucho hemos avanzado sobre nuestro conocimiento de las componentes básicas de todas las cosas. Por ello, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, en francés Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), la cual es una organización de investigación ubicada en Ginebra, Suiza, opera el laboratorio de Física de altas energías más grande del mundo. Este laboratorio cuenta con el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC), en el que núcleos atómicos chocan casi a la velocidad de la luz. Como consecuencia de ello, se liberan grandes cantidades de energía en espacios muy reducidos, esto provoca la creación de nuevas partículas, similar a aquellas de cuando nació el universo (The Big Bang Theory).
Las dimensiones del LHC son las siguientes: una circunferencia de 27 kilómetros, 9 mil 300 imanes superconductores y mil 232 dipolos. Éstos requieren de un sistema de enfriamiento. A pesar de las enormes dimensiones y la tecnología extremadamente complicada: los núcleos atómicos o los electrones son acelerados a velocidades increíblemente altas con la ayuda de campos electromagnéticos. Las partículas giran en dos anillos opuestos como en una pista de carreras. En algunos puntos, las pistas se unen y luego puede llegar a producir colisiones frontales. Debido a que las partículas son diminutas y tienen una energía cinética enorme durante las colisiones, se crea una densidad de energía muy alta en ese instante. Es tan grande que su estado se asemeja al momento justo después del Big Bang. De acuerdo con la fórmula de Einstein E=mc^2, parte de la energía de colisión se convierte en masa, por lo que se crean nuevas partículas, las cuales salen disparadas en todas direcciones. También éstas son capturadas e identificadas por enormes detectores. Los físicos han clasificado a 29 partículas elementales, incluidos electrones, muones, fotones y varios quarks y neutrinos. Algunas partículas que originalmente se pensaba que eran indivisibles resultaron ser compuestas: los protones y los neutrones, por ejemplo, cada uno consta de tres quarks y ahora se cuentan en el grupo de los hadrones. En el LHC, 300 billones de protones pueden estar circulando en direcciones opuestas. Puede llegar a darse colisiones cada veinticinco mil millonésimas de segundo, con la consecuencia de que en cada choque se crean alrededor de mil nuevas partículas. Los detectores registran y analizan cada una de estas colisiones, pero la cantidad de datos es tan inmensa que solo se puede almacenar uno de cada diez millones de eventos.
El LHC consta de dos anillos principales. Con la ayuda de campos electromagnéticos, ciertos núcleos atómicos pueden ser acelerados, primero por un anillo preacelerador y luego alcanzan más del 99.99 por ciento de la velocidad de la luz por un segundo anillo acelerador real. Hay dos tubos de chorro en el anillo grande, en los que las partículas circulan en direcciones opuestas. La estructura del anillo acelerador consta principalmente de elementos tubulares de 15 metros de largo, los que pesan cerca de 35 toneladas. En el interior están tubos de chorro en los que se mueven las partículas, además de las bobinas magnéticas superconductoras, las que se encargan del enfriamiento a menos de 271 grados centígrados. Este sistema genera un fuerte campo que obliga a las partículas a seguir un camino circular.
En el LHC existen cuatro gigantescos dispositivos de medición que identifican a las partículas producidas en una colisión, incluidos los detectores ATLAS (A toroidal LHC ) y CMS (Solenoide compacto de muones). El detector ATLAS tiene 46 metros de largo y 25 metros de diámetro. Los tubos contienen bobinas magnéticas y pesan 100 toneladas cada uno. Por lo que, las partículas recién formadas pasan primero a través de una capa de tiras de silicio en las que partículas cargadas, como muones o hadrones, desencadenan impulsos eléctricos. Cristales de tungsteno con plomo ralentizan los electrones y producen destellos de luz, que dicen algo sobre la energía de la partícula. Capas de acero, latón y plástico ralentizan los hadrones y también convierten su energía en destellos de luz. Un fuerte imán desvía las partículas a diferentes ángulos dependiendo de su carga y energía. Se han instalado cámaras llenas de gas, las que son atravesadas por cables que emiten impulsos eléctricos, justo en el momento cuando los muones pasan por ellos. Al final, casi todas las partículas desaparecen. Para tener más información visitar la página:
https://atlas.cern/
En el experimento ATLAS trabajan más de dos mil participantes de 37 países y 167 tienen una estación de observación para examinar fragmentos atómicos, tan pesados como la estructura de acero del puente Golden Gate en la bahía de San Francisco, y tan largos como la mitad de un campo de béisbol. Contiene 55,000 cables y tubos a 100 metros de profundidad. Los científicos trabajando en ATLAS están estudiando los constituyentes fundamentales de la materia, con la idea de comprender las reglas detrás de sus interacciones. Su investigación ya ha llevado a descubrimientos sorprendentemente revolucionarios, como el del bosón de Higgs. Los años venideros serán grandiosos en la medida que ATLAS lleve la física de las altas energías a territorios inexplorados, en busca de nuevos procesos y partículas, las cuales podrían cambiar la comprensión que tiene el ser humano, de la energía y la materia.
Universidad Politécnica de Tulancingo.
alfonso.padilla@upt.edu.mx
