¿QUé ES EL ACELERADOR DE PARTíCULAS CERN?

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¿Qué pasaría si fuera posible observar los bloques de construcción fundamentales en los que se basa el Universo? ¡No es un problema! Todo lo que necesitaría es un acelerador de partículas masivo, una instalación subterránea lo suficientemente grande como para cruzar una frontera entre dos países, y la capacidad de acelerar las partículas hasta el punto donde se aniquilan entre sí, liberando energía y masa que luego podría observar con una serie de monitores especiales.

Bueno, por suerte, tal instalación ya existe, y se conoce como CERN Large Hardron Collider (LHC), también conocido como CERN Particle Accelerator. Con una medida aproximada de 27 kilómetros de circunferencia y ubicada debajo de la superficie, cerca de Ginebra, Suiza, es el acelerador de partículas más grande del mundo. Y desde que el CERN activó el interruptor, el LHC ha arrojado algo de luz sobre algunos misterios más profundos del Universo.

Propósito:

Los colisionadores, por definición, son un tipo de acelerador de partículas que se basan en dos haces de partículas dirigidos. Las partículas se aceleran en estos instrumentos a energías cinéticas muy altas y luego se hacen chocar entre sí. Luego, los científicos analizan los subproductos de estas colisiones para determinar la estructura del mundo subatómico y las leyes que lo gobiernan.

El propósito de los colisionadores es simular el tipo de colisiones de alta energía para producir subproductos de partículas que de otro modo no existirían en la naturaleza. Además, este tipo de subproductos de partículas se descomponen después de un período de tiempo muy corto y, por lo tanto, son difíciles o casi imposibles de estudiar en condiciones normales.

El término hadron se refiere a partículas compuestas compuestas de quarks que se mantienen unidas por la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas que gobiernan la interacción de partículas (las otras son la fuerza nuclear débil, el electromagnetismo y la gravedad). Los hadrones más conocidos son bariones, protones y neutrones, pero también incluyen mesones y partículas inestables compuestas de un quark y un antiquark.

Diseño:

El LHC funciona acelerando dos haces de "hadrones", ya sean protones o iones de plomo, en direcciones opuestas alrededor de su aparato circular. Los hadrones luego chocan después de haber alcanzado niveles muy altos de energía, y las partículas resultantes se analizan y estudian. Es el acelerador de alta energía más grande del mundo, mide 27 km (17 millas) de circunferencia y una profundidad de 50 a 175 m (164 a 574 pies).

El túnel que alberga el colisionador tiene 3,8 metros (12 pies) de ancho, y se utilizó anteriormente para albergar el gran colisionador de electrones y positrones (que funcionó entre 1989 y 2000). Este túnel contiene dos líneas de haz paralelas adyacentes que se cruzan en cuatro puntos, cada una con un haz que viaja en direcciones opuestas alrededor del anillo. El haz está controlado por 1.232 imanes dipolos, mientras que se utilizan 392 imanes cuadrupolo para mantener los haces enfocados.

En total, se usan alrededor de 10,000 imanes superconductores, que se mantienen a una temperatura operativa de -271.25 ° C (-456.25 ° F), que es apenas inferior al cero absoluto, en aproximadamente 96 toneladas de helio-4 líquido. Esto también hace que el LHC sea la instalación criogénica más grande del mundo.

Al realizar colisiones de protones, el proceso comienza con el acelerador lineal de partículas (LINAC 2). Después de que el LINAC 2 aumenta la energía de los protones, estas partículas se inyectan en el Proton Synchrotron Booster (PSB), que las acelera a altas velocidades.

Luego se inyectan en el Sincrotrón de Protones (PS), y luego en el Sincrotrón de Super Protones (SPS), donde se aceleran aún más antes de ser inyectados en el acelerador principal. Una vez allí, los racimos de protones se acumulan y aceleran a su energía máxima durante un período de 20 minutos. Por último, circulan durante un período de 5 a 24 horas, tiempo durante el cual se producen colisiones en los cuatro puntos de intersección.

Durante períodos de funcionamiento más cortos, se incluyen colisiones de iones pesados (típicamente iones de plomo) en el programa. Los iones de plomo son acelerados primero por el acelerador lineal LINAC 3, y el anillo de iones de baja energía (LEIR) se utiliza como una unidad de almacenamiento y enfriador de iones. Luego, los PS y SPS aceleran aún más los iones antes de inyectarlos en el anillo LHC.

Mientras los protones e iones de plomo están colisionando, se utilizan siete detectores para buscar sus subproductos. Estos incluyen el experimento A Toroidal LHC ApparatuS (ATLAS) y el solenoide de muón compacto (CMS), que son detectores de propósito general diseñados para ver muchos tipos diferentes de partículas subatómicas.

Luego están los detectores de belleza A Large Ion Collider Experiment (ALICE) y Large Hadron Collider beauty (LHCb) más específicos. Mientras que ALICE es un detector de iones pesados que estudia la materia que interactúa fuertemente con densidades de energía extremas, el LHCb registra la descomposición de las partículas e intenta filtrar los quarks b y anti-b de los productos de su descomposición.

Luego están los tres detectores pequeños y altamente especializados: el experimento TOTal Elastic and Difractive cross section Measurement (TOTEM), que mide la sección transversal total, la dispersión elástica y los procesos difractivos; el Detector de monopolo y exóticos (MoEDAL), que busca monopolos magnéticos o partículas cargadas masivas (pseudo) estables; y el Gran Colisionador de Hadrones hacia adelante (LHCf) que monitorea las astropartículas (también conocidos como rayos cósmicos).

Historia de la operación:

El CERN, que significa Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (o Consejo Europeo para la Investigación Nuclear en inglés), fue establecido el 29 de septiembre de 1954 por doce países signatarios de Europa occidental. El objetivo principal del consejo era supervisar la creación de un laboratorio de física de partículas en Ginebra, donde se realizarían estudios nucleares.

Poco después de su creación, el laboratorio fue más allá y comenzó a realizar investigaciones de física de alta energía también. También ha crecido para incluir veinte estados miembros europeos: Francia, Suiza, Alemania, Bélgica, Países Bajos, Dinamarca, Noruega, Suecia, Finlandia, España, Portugal, Grecia, Italia, Reino Unido, Polonia, Hungría, República Checa, Eslovaquia , Bulgaria e Israel.

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 e inicialmente debía completarse en 2005. Sin embargo, los excesos de costos, los recortes presupuestarios y diversas dificultades de ingeniería llevaron la fecha de finalización a abril de 2007. El LHC entró en línea por primera vez el 10 de septiembre de 2008, pero las pruebas iniciales se retrasaron durante 14 meses luego de un accidente que causó daños extensos a muchos de los componentes clave del colisionador (como los imanes superconductores).

El 20 de noviembre de 2009, el LHC volvió a estar en línea y su Primera ejecución se ejecutó de 2010 a 2013. Durante esta ejecución, colisionó dos haces de partículas de protones y núcleos de plomo opuestos a energías de 4 teraelectronvoltios (4 TeV) y 2,76 TeV por nucleón, respectivamente. El objetivo principal del LHC es recrear las condiciones justo después del Big Bang cuando se producían colisiones entre partículas de alta energía.

Grandes descubrimientos:

Durante su primera ejecución, los descubrimientos del LHC incluyeron una partícula que se creía que era el ansiado Bosón de Higgs, que se anunció el 4 de julio de 2012. Esta partícula, que da masa a otras partículas, es una parte clave del Modelo Estándar de física . Debido a su gran masa y naturaleza evasiva, la existencia de esta partícula se basó únicamente en la teoría y nunca antes se había observado.

El descubrimiento del bosón de Higgs y la operación en curso del LHC también ha permitido a los investigadores investigar la física más allá del modelo estándar. Esto ha incluido pruebas relacionadas con la teoría de la supersimetría. Los resultados muestran que ciertos tipos de descomposición de partículas son menos comunes de lo que predicen algunas formas de supersimetría, pero aún podrían coincidir con las predicciones de otras versiones de la teoría de la supersimetría.

En mayo de 2011, se informó que se había creado plasma quark-gluón (en teoría, la materia más densa además de los agujeros negros) en el LHC. El 19 de noviembre de 2014, el experimento LHCb anunció el descubrimiento de dos nuevas partículas subatómicas pesadas, que eran bariones compuestas de un quark de fondo, uno de abajo y otro extraño. La colaboración de LHCb también observó múltiples hadrones exóticos durante la primera ejecución, posiblemente pentaquarks o tetraquarks.

Desde 2015, el LHC ha estado realizando su Segunda Carrera. En ese tiempo, se ha dedicado a confirmar la detección del bosón de Higgs y a realizar más investigaciones sobre la teoría de la supersimetría y la existencia de partículas exóticas a niveles de energía más altos.

En los próximos años, el LHC está programado para una serie de actualizaciones para garantizar que no sufra una disminución de los retornos. En 2017-18, el LHC está programado para someterse a una actualización que aumentará su energía de colisión a 14 TeV. Además, después de 2022, el detector ATLAS recibirá una actualización diseñada para aumentar la probabilidad de que detecte procesos raros, conocidos como LHC de alta luminosidad.

El esfuerzo de investigación colaborativa conocido como el Programa de Investigación del Acelerador de LHC (LARP) está llevando a cabo una investigación sobre cómo actualizar aún más el LHC. Los principales son los aumentos en la corriente del haz y la modificación de las dos regiones de interacción de alta luminosidad, y los detectores ATLAS y CMS.

¿Quién sabe lo que descubrirá el LHC entre ahora y el día en que finalmente apaguen? Con suerte, arrojará más luz sobre los misterios más profundos del Universo, que podrían incluir la estructura profunda del espacio y el tiempo, la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad general, la relación entre la materia y la antimateria, y la existencia de "Materia oscura". ".

Hemos escrito muchos artículos sobre el CERN y el LHC para la revista Space. Aquí está ¿Qué es el bosón de Higgs ?, la máquina Hype se desinfla después de que los datos del CERN muestran que no hay partículas nuevas, ¿BICEP2 nuevamente? Los investigadores ponen en duda el descubrimiento del bosón de Higgs, se encontraron dos nuevas partículas subatómicas, ¿se está por anunciar una nueva partícula ?, los físicos tal vez, solo tal vez, confirmen el posible descubrimiento de la quinta fuerza de la naturaleza.

Si desea obtener más información sobre el Gran Colisionador de Hadrones, consulte la página de inicio del LHC y aquí encontrará un enlace al sitio web del CERN.

Astronomy Cast también tiene algunos episodios sobre el tema. Escuche aquí, Episodio 69: El Gran Colisionador de Hadrones y La Búsqueda del Bosón de Higgs y Episodio 392: El Modelo Estándar - Introducción.

Fuentes: