TÓPICOS DE FÍSICA. LHC: Un túnel al principio de los tiempos. Daniel Tapia Takaki University of Birmingham

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1 TÓPICOS DE FÍSICA LHC: Un túnel al principio de los tiempos Daniel Tapia Takaki University of Birmingham Con mucho entusiasmo y devoción por algunas de las preguntas más fundamentales del quehacer científico de nuestros tiempos, los ambiciosos experimentos del programa internacional LHC estarán listos en 2007 para explorar todas y cada una de las cuestiones que sea posible estudiar con sus detectores y un nuevo acelerador de partículas considerados una de las maravillas tecnológicas del mundo moderno. reacciones químicas. Los quarks pasan sin ser apercibidos en la mayoría de los cursos de educación básica, aunque son partículas de gran importancia. Los quarks se agrupan en grupos de 2 o 3 de forma tal que el compuesto conserva una carga eléctrica con número entero. A la pareja de quarks se la llama mesón y a los conjuntos de 3 quarks, bariones. Mesones y bariones son en su conjunto conocidos como hadrones, es decir, las partículas subatómicas que experimentan la llamada interacción fuerte. La rama de la ciencia que estudia las partículas más pequeñas en el Universo y las fuerzas entre ellas se conoce como física de altas energías o de Qué es el universo? o la estructura de la partículas elementales. Estas partículas materia existieron en los momentos tempranos El entendimiento científico del después del Big Bang que, según las teorías Universo involucra el estudio de la materia de mayor aceptación científica, dio origen que contiene y de las interacciones que lo al Universo. En la actualidad estas gobiernan. Los constituyentes de la materia partículas sólo se encuentran en los rayos ordinaria son leptones y quarks. Estas son cósmicos altamente energéticos producidos partículas meramente elementales. No en el espacio exterior, o como producto de tienen estructura interna y representan los aceleradores de partículas. Estudiando bloques fundamentales de 12 partículas todas las piezas que provienen de un gran que forman todo lo observable. Entre los número de colisiones en los aceleradores de leptones encontramos al famoso electrón, partículas se puede aprender sobre las bien conocido en la electricidad y las partículas y las fuerzas. Estas fuerzas 13

2 gobiernan el comportamiento de todo lo que conocemos en el Universo desde su creación. Es por esto que existe una relación estrecha entre la física de partículas y la cosmología, dos de áreas más fundamentales y excitantes de investigación en física actualmente. Con el programa del nuevo acelerador de partículas, se tratará de comprender qué es el universo y cómo se creó. El acelerador más grande y potente jamás construido Ubicado en la frontera entre Suiza y Francia, el CERN es el laboratorio de investigación en física de partículas de la Organización Europea para la Investigación Nuclear. La comunidad científica lo considera un modelo de colaboración internacional y uno de los centros de investigación más importantes en el mundo. Es un lugar donde expertos de todo el mundo pueden participar en un proyecto común. En octubre de 2004 se celebró su medio siglo de existencia. El primer acelerador en el CERN comenzó a funcionar en 1956; el Gran Colisionador de Hadrones (en inglés, Large Hadron Collider o LHC) en estos momentos se encuentra en construcción, iniciará sus operaciones en noviembre de El LHC colisionará protones e iones pesados. El protón es una partícula en el corazón de los átomos que se clasifica como un hadron dado que esta formado por un conjunto de tres quarks (barión); un quark d (abajo down) y dos quarks u (arriba up). Este acelerador esta instalado en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia. Dos haces independientes giraran en direcciones opuestas a lo largo del túnel durante un período largo, compartiendo los imanes superconductores responsables de su aceleración y orientación. Los protones llegarán a una velocidad muy cercana ( %) a la de la luz, y tendrán tanta energía como un tren de carga de 800 toneladas a 100 kilómetros por hora. Una energía liberada de electrón-volts nunca antes producida en el laboratorio. Los aceleradores usan campos eléctricos ondulatorios muy potentes para dar energía a los haces de partículas, y campos magnéticos para guiarlos. Existen muchas clases de detectores dentro de los experimentos del LHC. En general, se miden las trayectorias, las energías y las 14

3 identidades de ciertas partículas para reconstruir el evento que ocurrió en cada colisión. Los detectores internos miden el momento de cada partícula cargada usando tecnología de silicio; los calorímetros miden la energía que llevan las partículas; en unos casos se tiene un espectrómetro de muones que identifica y mide el momento de los muones. En otros, los muones se detectan usando los diámetros exteriores del mismo detector. El sistema magnético permite doblar a las partículas cargadas para la medición de su momento. El diseño de los detectores del LHC ha sido un reto sin precedentes. En las casi 1000 millones de colisiones cada segundo, sólo una pequeña cantidad tendrá las características especiales que llevarán a nuevos descubrimientos. Cada detector observará hasta 600 millones de colisiones cada segundo. Partículas que provengan de una colisión tendrán que viajar a través de un detector cuando la siguiente colisión ocurra. El sistema de trigger selecciona tales eventos para ser guardados y evitar almacenar una cantidad inmensa de información innecesaria. Esta electrónica de los detectores y cómputo de procesamiento en línea puede filtrar alrededor de 100 colisiones por segundo. Aunque esto representa una gran reducción, el total de los datos que serán almacenados es aproximadamente una pila de CDs de 20 kilómetros de alto, es decir, más del doble de alto que el Monte Everest, 15 PB (15 millones de Gigabytes) por año. El inmenso número de partículas producidas también significa que las componentes de los detectores necesitan ser extremadamente robustas. Los elementos de cada detector individual necesitan ser lo más pequeño posible de tal forma que las partículas que atraviesan los detectores sean observadas independientemente. La alta energía de las colisiones requiere que los detectores sean grandes para guardar la información de todas las trayectorias y decaimientos de las partículas. Uno de los experimentos del acelerador conocido como CMS, cuya letra C viene de compacto, tiene un peso de 12,500 toneladas, el equivalente a 40 grandes aviones. El LHC tiene en la actualidad 6 experimentos aprobados conocidos por sus acrónimos como ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, TOTEM y LHCf. También existe una propuesta conocida como MOEDAL que buscaría ciertas partículas exóticas 15

4 como son los monopolos magnéticos, cargas magnéticas libres planteadas por Paul Dirac en El experimento ALICE: desde el Big Bang hasta los Little Bangs En los primeros instantes del Universo la materia se encontraba en condiciones muy extremas de temperatura, presión y densidad. La mezcla tenía una temperatura 100,000 veces más alta que la temperatura del centro del sol. El Universo se expandió abruptamente, y como consecuencia la temperatura disminuyó muy rápidamente, tal cual sucede en la actualidad con un gas ordinario. Después de cerca de 10 microsegundos de esa gran explosión que formó al Universo, los quarks y los gluones (portadores de la interacción fuerte) fueron aprisionados en lo que hoy conocemos como los hadrones. Un cambio tan repentino en las propiedades de un material es conocido como una transición de fase (como lo que sucede del cambio de estado de agua líquida a hielo). La transición de fase de esa sopa caliente de quarks y gluones conocida como Plasma de Quarks y Gluones (por sus siglas en inglés, QGP) al estado donde se formaron los protones y neutrones es de un gran interés para entender cómo se produjo la evolución de la materia en el Universo e igualmente para tener un mejor entendimiento de las fuerzas fundamentales de la naturaleza. El área de la física que estudia las interacciones fuertes se conoce como QCD (por sus siglas en inglés, Quantum Chromodynamics). Uno de los fenómenos más interesantes que ocurren en QCD es conocido como libertad asintótica ; cuando dos quarks se encuentran considerablemente más cerca que el diámetro del protón (aproximadamente centímetros), sienten una reducción de la interacción fuerte. Este comportamiento es opuesto a lo que ocurre con otras fuerzas como la gravedad o el electromagnetismo que operan a través de grandes distancias. La libertad asintótica es un fenómeno muy importante a altas temperaturas cuando las partículas se encuentran muy juntas unas de otras y ocurren colisiones de altas energías constantemente. Según los cálculos, cuando la temperatura exceda grados Celsius, los quarks y los gluones actúan de manera independiente y los quarks dejan su prisión 16

5 en el interior de los hadrones. Para simular estas condiciones extremas en el laboratorio, se deben de recrear dichas enormes temperaturas, densidades y presiones que existieron al principio del Universo. Un ejemplo de los fenómenos que se esperan observar en un plasma de quarks y gluones es lo que ocurre con lo que se conoce como la modificación de la función de fragmentación. Durante una colisión, un par de quarks moviéndose rápidamente puede ser liberado. Bajo condiciones normales, este par se desintegra en dos chorros de partículas ordinarias. En la presencia de un estado de QGP, el par perdería alguna parte de su energía y el chorro de partículas sería diferente. La detección de este chorro de partículas permitiría la reconstrucción de una imagen de la materia emitida por ellos, en la misma forma que una radiografía da el negativo de la imagen de unos rayos-x pasando a través del cuerpo humano. Durante tres décadas de experiencia colisionando núcleos pesados a altas energías se ha visto producir un estado de materia con densidades muy superiores a la materia hadrónica ordinaria. Experimentos en el acelerador SPS del CERN anunciaron en el año 2000 la creación de lo que creemos es el QGP. Durante los últimos cinco años, experimentos en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (por sus siglas en ingles, RHIC) ha recreado también estas condiciones a pequeña escala usando núcleos de átomos de oro. Una de las sorpresas encontradas recientemente es que el medio que se ha producido en los mini bangs se comporta no como un gas sino como un líquido casi perfecto, es decir sin viscosidad. Quizá el líquido más perfecto que se haya creado. Estos resultados implican que los modelos del Universo muy temprano deben de ser revisados, como también algunas de las suposiciones realizadas en ciertos cálculos relacionados con quarks y gluones. Con una colaboración formada por 1,000 miembros de 30 naciones, y colisionando un gran número de núcleos de plomo, ALICE será el experimento en el LHC dedicado al estudio de física de iones pesados. Un estado de QGP se produce en equilibrio termodinámico y al ser creados en el laboratorio desaparecen muy rápidamente debido a las interacciones 17

6 fuertes. El tiempo de vida del estado de QGP en ALICE será mucho más grande que en experimentos anteriores. Por estas razones no solo será capaz de producir el plasma de quarks y gluones sino de estudiar en detalle sus propiedades. ALICE podría ir un paso más y experimentar directamente con la estructura misma del vacío. La teoría de interacciones fuertes se conoce sólo parcialmente pero sus consecuencias o manifestación son muy difíciles de predecir. El experimento ALICE estudiará un territorio totalmente nuevo y de alguna manera inexplorado por la física. ATLAS Y CMS, en la búsqueda del origen de la masa El bosón de Higgs, denominada la "partícula divina" por el premio Nóbel de Física Leon Lederman, podría explicar por qué todas las otras partículas tienen masa. Es una forma para validar el bien establecido modelo estándar de física que explica la naturaleza de las partículas y sus interacciones. Según esta teoría todas las partículas adquieren su masa a través de interacciones con un campo de fuerza (o campo de Higgs) que se extiende por todo el Universo. La existencia de la partícula fue propuesta por primera vez a finales de la década de los sesenta, por Peter Higgs, físico de la Universidad de Edimburgo, en Escocia. El hallazgo del Bosón de Higgs es considerado como una alta prioridad del Gran Colisionador de Hadrones y en particular de los experimentos ATLAS y CMS. Aunque el Bosón de Higgs se podría crear en las colisiones cada día, se necesitara una enorme habilidad para poder describir esta elusiva partícula. Cuando esté finalizado, ATLAS tendrá 25 metros de alto por 47 de largo y pesará unas siete mil toneladas, tan alto como un edificio de cinco pisos. A pesar de tener objetivos de física comunes, CMS y ATLAS han optado por un diseño radicalmente distinto para el diseño del sistema magnético de los detectores. CMS ha construido su detector alrededor de un gran imán solenoide que generan un campo magnético aproximadamente 100,000 veces más grande que el del planeta tierra. Con una geometría distinta, ATLAS es 8 veces el tamaño de CMS pero pesa sólo un poco más de la mitad de CMS. LHCb: materia y antimateria LHCb va a estudiar las diferencias 18

7 entre la materia y la antimateria, ayudando a entender porque vivimos en un Universo dominado principalmente por la materia. Un desequilibrio que no ha sido posible entender. La explicación completa parece provenir de una nueva física que será revelada en el LHC recreando el momento, que existió hace billones de años atrás, donde las partículas llamadas quark b y antiquark b fueron producidos en pares. El LHC va a producir partículas conteniendo estos y otros quarks en gran abundancia. Estas se desintegran muy rápido. Para observarlos, el LHC ha desarrollado un sistema de detectores muy sofisticado. TOTEM y LHCf, otras criaturas TOTEM va a observar protones que colisionan con otros protones pero no se transforman en otra clase de partículas. Un buen entendimiento de estos procesos es esencial para interpretar otros resultados del LHC, y se espera que ayude a abrir una ventana a nuevos e interesantes fenómenos. LHCf, por otro lado, es un tipo de experimento muy diferente que va a usar los protones del LHC para simular los rayos cósmicos. Estudiando como los choques de protones pueden producir chubascos de partículas y en particular fotones, tal como ocurre en la atmósfera con las partículas cósmicas producidas en el espacio exterior. Un análisis de estos chubascos puede ayudar en la interpretación y calibración de experimentos dedicados al estudio de rayos cósmicos a gran escala, éstos pueden llegar a tener miles de kilómetros cuadrados. Agujeros negros, supersimetría y materia oscura Algunos científicos creen que el Universo tiene más dimensiones de las que uno conoce. Si el acelerador LHC abre momentáneamente dimensiones extras, se podría comprimir de alguna manera la materia en gran medida de tal forma que se crearía pequeños agujeros negros. No hay motivo para pensar que estos agujeros negros artificiales vayan a destruir al CERN y seguidamente al planeta. Por otro lado, una de las hipotéticas nuevas áreas en el campo es la supersimetría. Bajo el modelo estándar de física, todas las partículas fundamentales se clasifican en dos grupos: fermiones, que constituyen la materia, y bosones, los portadores de las fuerzas que actúan en la materia. Según la 19

8 teoría de la supersimetría, cada fermión tiene un supercompañero que es un bosón. Y cada bosón, a su vez, tiene un supercompañero fermión. No existe todavía ninguna observación experimental de fenómeno. El LHC espera dar respuesta a estas hipótesis. La supersimetría también podría explicar un misterio en la naturaleza conocido como la materia oscura que constituye alrededor del 25% del Universo. La materia oscura no ha sido observada directamente en el laboratorio. Otros logros en el CERN El gigantesco experimento no sólo es responsable del estudio de las colisiones de partículas para tratar de comprender qué es el universo y cómo se creó. El CERN fue responsable del nacimiento de la world wide web (www), diseñada en 1990 para permitir a sus científicos acceder a los datos sin tener en cuenta su ubicación geográfica y el tipo de sistema de cómputo. Los escaners médicos más avanzados que se encuentran en los hospitales han sido desarrollados por personas dedicadas a estudio de las partículas y el desarrollo de aceleradores. El premio Nobel de física ha sido otorgado en dos ocasiones a físicos de las colaboraciones de experimentos del CERN así como otros otorgado a físicos involucrados en trabajo del CERN. Es probable que mucho de los descubrimientos no impliquen alguna aplicación práctica pero el solo hecho de hacer algo excepcionalmente difícil ha requerido la innovación en tecnología, cuya aplicación todavía no sabemos cómo puede cambiar o revolucionar ciertas áreas de la sociedad. En estos momentos CERN es el líder de El Grid que permite usar los recursos de cómputo de muchas computadoras conectadas por medio de la red alrededor del mundo para de resolver problemas computacionales a gran escala. Por otro lado, el LHC como tema de divulgación científica representa una gran oportunidad en la comunidad de física para atraer al público y estudiantes para aprender y charlar sobre el Universo en el que vivimos. Cuenta atrás para la primera colisión Cada sociedad ha aportado en su momento a formular preguntas y buscar respuestas sobre los misterios del Universo. Se ha progresado bastante desde que Demócrito sugiriera, en el siglo quinto 20

9 A.C., que todo estaba formado por unidades indivisibles llamada átomos. La comunidad de física de partículas parece ser bastante diferente a lo que fue hace dos décadas. Se ve grandes retos en términos del tamaño y complejidad de sus experimentos, y la organización de sus colaboraciones. En el proyecto del LHC, 111 naciones se encuentran involucradas en el diseño, construcción y prueba del equipo y software, participando en los experimentos y análisis de datos. La aportación mexicana al LHC se encuentra en los experimentos ALICE y CMS. Un consorcio de instituciones formado por el CINVESTAV, la UNAM, la Universidad Autónoma de Puebla, y la Universidad de Sinaloa colabora en ALICE. El CINVESTAV, la Universidad de San Luís Potosí, la de Puebla y la Iberoamericana son parte de la colaboración CMS. Estos grupos se encuentran trabajando activamente en el desarrollo de ciertos detectores y componentes de dichos experimentos junto con colegas de otras naciones participantes. La fecha se aproxima para iniciar la toma de los primeros datos experimentales. El sucesor se aproxima A pesar de que el LHC no inicia operaciones hasta finales del presente año y a pesar de tener un programa de análisis de física para dos décadas, el ILC (Colisionador Lineal Internacional, por sus siglas en inglés) es un proyecto en discusión que se dice ser el sucesor del LHC. El Gran Colisionador de Hadrones es considerado como una máquina de descubrimientos, con objetivos generales que abrirá nuevas áreas de física y demostrará la posible existencia de nuevas leyes, así como de ciertas partículas. Por otro lado, el ILC será un instrumento de precisión que permitirá explorar en detalle los descubrimientos hechos por el LHC. La ubicación de esta nueva máquina no ha sido acordada hasta el día de hoy. Un buen número de pruebas de diseño e innovación tecnológica en instrumentación de detectores se desarrolla en diversas partes del mundo. Referencias Sitio web del CERN, 21

10 Sito web sobre el LHC mantenido por instituciones británicas, Sitio web del experimento ALICE, Sitio web Particle Adventures del Particle Data Group, El autor. Es egresado del programa de licenciatura y maestría en ciencias (física) de la Universidad de Sonora. El autor comenta que él conoció sobre la carrera de física por primera vez gracias a una ejemplar de esta revista. Actualmente se encuentra en su último año de doctorado en física experimental de altas energías en la Universidad de Birmingham, Inglaterra. Su trabajo de investigación lo lleva a cabo en el experimento ALICE del CERN. Trabaja en la preparación de la primera física de ALICE y en tareas de la comisión del sistema central del trigger del experimento. El autor agradece los comentarios del Dr. Orlando Villalobos Baillie, del Dr. Gerardo Herrera Corral y de Pablo del Amo Sánchez a este artículo. 22