Significado de Gran Colisionador de Hadrones (LHC) Definición, y Funcionamiento

Definición formal

El LHC es una máquina que se utiliza para acelerar y colisionar partículas subatómicas, en la que trabaja una multitud de científicos de todo el mundo, con el objetivo de investigar la constitución de la materia, así como su origen.

Creada y mantenida por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, cuyas siglas corresponden a la denominación del francés, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. Hasta la fecha, es la mayor máquina construida por la humanidad.

El colisionador se ubica en la frontera entre Suiza y Francia, cerca de la ciudad suiza de Ginebra. Tiene un túnel que conforma un circuito de 27 km de largo a 175 m de profundidad. Su construcción se inició en 1998, y estuvo listo diez años después, en 2008, cuando entró en funcionamiento por vez primera.

Funcionamiento de la máquina y características de los hadrones

El gran colisionador hace chocar partículas, a esto en física se le denomina “colisionar”. Existe una teoría acerca de las partículas subatómicas, llamada modelo estándar de partículas, que las clasifica en dos grupos: leptones y hadrones.

Los leptones son partículas sin estructura interna, por lo tanto, indivisibles. El leptón más conocido es el modesto electrón, de carga negativa, y está también el neutrino, una partícula más esquiva.

Y por otra parte están los hadrones, que sí tienen estructura interna y están conformados a su vez por otras partículas llamadas quarks. Los hadrones más conocidos son el protón y el neutrón, que habitan en el núcleo atómico, pero hay muchos más hadrones, clasificados en bariones y mesones. Los protones y neutrones son bariones formados por tres quarks.

Pues bien, para conocer acerca de la estructura interna de los hadrones, los científicos hacen colisionar haces de protones entre sí o contra otros objetos, todo a muy elevadas velocidades, cercanas a la de la luz. De esta manera se “rompen” y revelan su contenido.

Durante estas colisiones se recrean, por breves instantes, condiciones semejantes a los instantes posteriores al big bang.

Como resultado, se generan nuevas partículas y mucha energía, y con esto los científicos pretenden responder cuestiones acerca de cómo se creó la materia después del big bang, así como validar el modelo estándar de partículas y estudiar las interacciones fundamentales, entre otras inquietudes.

Fundamentos físicos del colisionador

Lo primero es lograr que las partículas adquieran velocidades muy elevadas en el tubo del colisionador, por lo que es preciso acelerarlas. Un dispositivo capaz de lograr esto se denomina acelerador de partículas.

Un televisor o un monitor de computadora anticuado funciona con un tubo de rayos catódicos, que es un acelerador de electrones. En su interior hay campos eléctricos y magnéticos que interactúan con los haces de electrones, de carga negativa, y los aceleran y desvían.

El campo eléctrico produce una aceleración en el sentido de la velocidad y el magnético se encarga de desviar el haz.

Desde luego, la velocidad que alcanzan los electrones en el tubo de una televisión antigua no es muy alta, apenas una cuarta parte de c, la velocidad de la luz. Nada comparable a la que deben tener las partículas en el LHC, que deben ser cercanas a la de la luz para conseguir una colisión efectiva.

Una idea para conseguir elevadas aceleraciones es emplear una larga serie de electrodos dispuestos en línea recta, a través de un largo recorrido. De esta manera, cada electrodo le va confiriendo un impulso a las partículas, que es equivalente a un “empujón”, con el que aumentan su aceleración.

El inconveniente es que los recorridos necesarios para lograr grandes aceleraciones son muy largos. Sería preferible que las partículas recorrieran trayectorias cerradas, de esta forma, en cada vuelta, vuelven a pasar por los electrodos para obtener el impulso requerido, sin tener que viajar largas distancias en línea recta.

Para hacer que las partículas cargadas se muevan en trayectorias circulares se emplean campos magnéticos variables, de esta manera, el radio de la partícula se mantiene a medida que se acelera.

Los imanes comunes no son suficientes para conseguir las energías necesarias en el LHC (unos 7 TeV por protón). En su lugar se emplea un conjunto de electroimanes superconductores, cuya resistencia es cero, sin pérdida de energía.

La superconductividad requiere temperaturas extremadamente bajas, incluso más frías que el espacio exterior, para lo que se emplea un enorme equipo de refrigeración a base de helio y nitrógeno líquidos, que opera en varias fases. Es el sistema de enfriamiento más grande del mundo.

Sistema de los detectores

Por el túnel del colisionador, en el que previamente se crea el vacío, se hacen circular en sentidos opuestos dos haces de partículas. Hay cuatro lugares específicos donde se ubican los detectores del LHC, que registran la masa y la energía de las partículas que se producen luego de las colisiones, a través de huellas específicas.

Los principales detectores son: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb y cada uno está dedicado a experimentos particulares.

ATLAS

El ATLAS es un aparato toroidal cuyos objetivos son validar la teoría del modelo estándar de partículas, estudiar la estructura de la materia e indagar acerca de la materia oscura. En 2012, los datos proporcionados por ATLAS y el CMS validaron la existencia de una partícula bosónica, que muy probablemente sea el bosón de Higgs. Esta partícula es sumamente esquiva, pues apenas sea crea, se desintegra rápidamente.

CMS

Este detector lleva las siglas CMS por Compact Muon Solenoid en inglés, que en castellano es Solenoide Compacto de Muones. Se especializa en detectar muones, partículas que pertenecen al grupo de los leptones antes mencionados, aunque igualmente detecta fotones y electrones.

Tiene los mismos objetivos generales que ATLAS, pero con un diseño diferente haciendo uso, como su nombre lo indica, de un enorme solenoide que genera un potente campo magnético.

ALICE

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) significa Un Gran Experimento de Colisionador de Iones y está diseñado para trabajar con iones pesados. Los científicos pretenden recrear en cierta medida el universo a pocos instantes del big bang, acelerando iones de plomo para crear un plasma de quarks-gluones. Este plasma solo existe a unas temperaturas y densidades sumamente altas.

LHCb

Este experimento se titula Large Hadron Collider beauty y está dedicado a la búsqueda de dos tipos particulares de quarks: “b” o “c”. Estos quarks mutan su naturaleza de partícula a la de antipartícula.

Es por ello que el objetivo principal de este detector es averiguar por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria.

Logros del LHC

La máxima del LHC hasta ahora es, sin duda, el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012. Esta partícula había sido predicha unas décadas atrás por los físicos Peter Higgs, Robert Brout y Francois Englert, pero no se había podido detectar por ser muy inestable.

Gracias a los resultados de los experimentos en el LHC, los científicos han conseguido refinar su visión de la materia y el origen del universo. Pero estos resultados no se traducen únicamente en teorías.

Aparte de la generación de conocimiento por sí misma, el gran volumen de datos que se produce en el LHC, probablemente el mayor de cualquier experimento científico, ha llevado a notables mejoras en los sistemas de procesamiento de datos. Trajo consigo la creación de nuevos algoritmos, para seleccionar los datos apropiados, y el montaje de la red de computación más grande del mundo.

Por otro lado, los retos tecnológicos para crear los sistemas de aceleración y detección han traído como consecuencia avances en las ciencias de los materiales y creación de tecnología de punta.