Modelos 3D de ALICE Impresos en el CERN

Transcripción

1 Modelos 3D de ALICE Impresos en el CERN Stefan Rossegger CERN European Organization for Nuclear Research, Switzerland Entender un concepto es el principio de entender la ciencia. Sin un entendimiento conceptual no podrás expresar la idea de los objetivos de tu trabajo a una audiencia más amplia. Sin interesar a una audiencia más amplia, nunca inspirarás a la siguiente generación de científicos e investigadores de quienes dependerá el futuro de la ciencia. Cuando los conceptos pueden demostrarse fácilmente, como en el caso de la química o la biología, entonces los efectos de la ciencia pueden fácilmente presentarse a una audiencia más amplia, que podría no tener conocimiento previo de la reacción que está ocurriendo. Estos efectos tan dramáticos son visualmente atrayentes, de interés inmediato y mantienen la atención de la audiencia mientras se explican los conceptos científicos subyacentes. El problema para la física de partículas que se estudia y prueba en el CERN es que trabajamos con reacciones que no pueden ser observadas directamente. Las partículas se crean en las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), el acelerador de partículas más grande del mundo. Sus rutas y propiedades se miden a través de sus interacciones con nuestros

2 detectores, rastreo computarizado y posterior modelado matemático. Debido a la complejidad de los experimentos científicos y la naturaleza conceptualmente complicada de la física de partículas, explicar exactamente qué hace el LHC en términos simples y claros presenta grandes desafíos. Estas reacciones están por lo general más allá de la imaginación del público corriente. Por lo tanto, debemos encontrar otros métodos conceptuales para atraer a la audiencia. Los modelos 3D son uno de estos métodos que buscan explicar cómo se ve un detector de partículas, cómo funciona y qué ocurre durante una colisión. Antes de seguir, damos un poco de información previa sobre el CERN, el ALICE y nuestros esfuerzos por mantener el interés de la gente. El CERN comenzó en la década de los 50 como la Organización Europea para la Investigación Nuclear. Hoy en día también es conocido como el Laboratorio Europeo de Física de Partículas. Es uno de los centros de investigación más prestigiosos del mundo, ubicado en Ginebra, Suiza. Su labor es la física fundamental: descubrir qué hace que nuestro universo funcione. En el CERN, algunas de las más grandes y más complicadas máquinas del mundo son utilizadas para estudiar algunos de los bloques constructivos más pequeños de la naturaleza, las partículas fundamentales. Al estudiar las colisiones de estas diminutas partículas de materia, los físicos desentrañan las leyes básicas de la naturaleza. El laboratorio provee equipamiento científico de punta para los investigadores: aceleradores capaces de acelerar diminutas partículas a casi la velocidad de la luz, y 2

3 detectores que funcionan como ojos electrónicos permitiéndonos observar el paso de las partículas. El CERN actualmente está operando un nuevo acelerador llamado el LHC. Esta máquina es una nueva herramienta para que los físicos del mundo vean dentro del corazón de la materia aún más profundamente de lo que nunca antes se había visto. El LHC hospeda una amplia gama de experimentos realizados como colaboraciones entre físicos de todo el mundo. Estos físicos construyen detectores de partículas en sus institutos locales y luego los traen al CERN para registrar los resultados de las colisiones de partículas. El LHC provee cuatro experimentos con colisiones. Estos se llaman ATLAS, CMS, LHCb y ALICE. Las siglas de ALICE, el experimento en el que trabajo, significan A large ion collider experiment (Experimento del gran colisionador de iones). A diferencia de otros experimentos del LHC, nosotros estudiamos las colisiones de núcleos pesados que son lo más cercano que podemos estar de la etapa más temprana del universo, el ALICE: A Large Ion Collider Experiment /Experimento del Gran Colisionador de Iones Big Bang. Ha sido diseñado y construido para medir de la forma más detallada posible las partículas producidas en las colisiones que ocurren en su centro, con el fin de poder reconstruir y estudiar la evolución del sistema en el tiempo y el espacio. Para 3

4 lograr esto se usan muchos detectores distintos, cada uno de los cuales da un poco de información a los físicos. Para entender un sistema tan complicado, uno tiene que observar el fenómeno desde distintos puntos de vista, usando distintos instrumentos a la vez. Un conjunto de detectores cilíndricos (de adentro hacia fuera: Sistema de rastreo interno (ITS), Cámara de proyección temporal (TPC), Detector de radiación de transición (TRD)) mide en varios puntos (más de 100 sólo el TPC) el paso de cada partícula que tenga una carga eléctrica, para que su trayectoria pueda medirse con precisión. Los detectores rastreadores del ALICE están inmersos en un campo magnético que curva la trayectoria de las partículas: de la curvatura de los recorridos podemos encontrar su momentum. El ITS es tan preciso que podemos detectar cuándo una partícula con una vida media muy corta es generada por la descomposición nuclear de un átomo cercano ya que no se origina desde el punto donde ocurrió la colisión (el vertex del evento), sino desde un punto a una décima de milímetro fuera de este. ALICE también quiere conocer la identidad de cada partícula: si son electrones, protones, kaones o piones. Además de la información provista por ITS y TPC, son necesarios más detectores especializados: el detector de Tiempo de vuelo (TOF) mide con una precisión superior a una décima de billonésima de segundo, el tiempo que tarda cada partícula desde el vertex hasta su posición, para poder medir su velocidad. Mientras el TRD mide la radiación especial que emiten las partículas extremadamente rápidas al cruzar de un material a otro, permitiendo identificar a los electrones. 4

5 Los muones se miden aprovechando el hecho de que penetran la materia más fácilmente que la mayor parte de las otras partículas: en la zona frontal una capa muy gruesa y complicada de material absorbente detiene todas las otras partículas, y los muones se miden por un sistema especializado de detectores, el espectrómetro de muones. Debido a la dificultad conceptual para explicar la ciencia tras el LHC y sus experimentos, ya mencionada, el CERN usa muchos métodos distintos para hacer que sus experimentos cobren vida. Una de las formas que el CERN usa es graficar las trayectorias de las partículas generadas en las colisiones como imágenes comunes de computadora. Una colisión, para el ojo del profano, se ve muy parecida a una explosión de fuegos artificiales. La visualización muestra los recorridos de las partículas mientras son rastreadas luego de Modelo 3D de la primera colisión de iones pesados una colisión. Esto lo hacemos usando AliROOT, un programa especialmente diseñado que no sólo permite visualizar los recorridos, sino que además puede leer los datos de los detectores, hace el rastreo y reconocimiento de patrones y es usado para analizar los datos. Además de esto, esta demostración es el punto focal de nuestro centro de visitantes, el Globe y la exhibición ALICE. 5

6 Impresión 3D de la primera colisión de iones pesados El modelo 3D que imprimimos usando el método de prototipado rápido es una visualización puramente estática de una de las primeras colisiones de iones pesados medida por uno de nuestros detectores, el TPC, en el año 2010, lo que fue un evento histórico. El modelo 3D del TPC al igual que las trayectorias fueron creadas usando el programa de modelado Blender, de código abierto, con un plugin de Python para cargar las propiedades de las partículas obtenidas del mencionado paquete AliROOT. Shapeways, una compañía comercial, imprimió después el modelo que se ve en la imagen. La creación de este modelo 3D nos permite demostrar las reacciones en un modo visualmente interesante sin tener que recurrir a demasiados conceptos. Por ejemplo, las líneas/recorridos con curvaturas fuertes representan partículas con poco momentum. Las líneas/recorridos más largos viajan básicamente a la velocidad de la luz, mientras que las más cortas son más pesadas y por lo tanto más lentas, y así por el estilo. Este modelo es solo el primer paso hacia una exhibición donde intentamos mostrar y explicar nuestro detector y la ciencia tras él para una audiencia más amplia. 6