Opinion · Un poco de ciencia, por favor

El Gran Colisionador de Hadrones: qué es y para qué sirve

Ignacio Mártil
Catedrático de Electrónica de la Universidad Complutense de Madrid y miembro de la Real Sociedad Española de Física

En la frontera entre Francia y Suiza, muy cerca de Ginebra, esta situado y en pleno funcionamiento el mayor experimento diseñado y construido por el ser humano, conocido por sus siglas en inglés como Large Hadron Collider (LHC, Gran Colisionador de Hadrones), dentro del Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN). En este artículo describiré en un lenguaje descargado al máximo de lenguaje científico especializado los objetivos que persigue esta enorme máquina, así como sus principales características.

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Fotografía área de la zona donde está instalado el LHC, que se muestra con una línea circular. A la derecha de la imagen se distinguen las pistas del aeropuerto de Ginebra y en la esquina superior derecha, el lago Leman.

1. ¿Qué es y para qué sirve el LHC?
En esencia, el LHC es un instrumento que acelera protones -uno de los componentes de los núcleos atómicos- a energías elevadísimas para hacerlos colisionar entre ellos. En la terminología científica, los protones pertenecen a una clase de partículas denominadas hadrones, de ahí el nombre de la máquina.

El LHC esta instalado en las inmediaciones de Ginebra, entre el lago Leman y los montes de Jura, en el interior de un anillo de 26,66 km. de circunferencia excavado por debajo de tierra a una profundidad promedio de 100 metros. El túnel subterráneo fue la mejor solución para albergar la máquina porque es más barato excavar un túnel que adquirir el terreno para construirlo en la superficie, con el añadido de que el impacto ambiental se reduce al mínimo.

El LHC consta de dos tubos huecos que transcurren paralelos, por el interior de cada uno de los que circulan los protones en sentidos opuestos y agrupados en paquetes compactos. Mediante la aplicación de campos eléctricos intensos, los protones son acelerados hasta alcanzar una energía de siete billones de electrón-voltios (7 TeV) lo que hace que alcancen una velocidad de 0.999999991 veces la velocidad de la luz (300.000 km/s). No obstante, esa energía no es nada extraordinaria en términos absolutos, ya que un TeV es la energía de movimiento de un vulgar mosquito. Lo singular del LHC es que concentra esa energía en el espacio que ocupan los paquetes de protones, un billón de veces más pequeño que el mosquito.

En cuatro puntos de su recorrido, el doble tubo se reduce a uno solo y allí se fuerza a los protones a chocar frontalmente. En esas zonas están instalados cuatro grandes detectores que se encargan de registrar los productos de la desintegración posterior a la colisión. Al colisionar a energías tan elevadas se recrean las condiciones que se supone que existieron en el comienzo del universo, momento conocido como Big-Bang o Gran Explosión.

Los objetivos que persigue esta enorme máquina son diversos y pretenden dar respuesta a una serie de preguntas que la ciencia se hace desde hace muchísimo tiempo. A grandes rasgos son los siguientes:

En primer lugar, el LHC pretende satisfacer la curiosidad humana, saber por qué estamos aquí, por qué existimos. Eso significa entender el origen del Universo y al recrear en este gran laboratorio algunas de las características de los instantes iniciales, entender mejor la evolución del Universo.

En segundo lugar y de modo más específico, el LHC pretende ayudar a responder cuestiones muy concretas: ¿cuál es el origen de la materia ordinaria?, ¿de qué estamos hechos y por qué somos así y no de otra manera?, ¿cuál es la naturaleza de la materia oscura que constituye el 25% del universo?, ¿por qué existen la materia y la antimateria?, ¿por qué prevalece la primera sobre la segunda en nuestros días?.

Algunas de esas preguntas ya han encontrado respuesta tras el descubrimiento del bosón de Higgs en 2012, durante el primer ciclo de funcionamiento de la máquina. Ahora en el segundo ciclo, que comenzó su andadura en la primavera de este año, los físicos pretenden afinar en las propiedades del bosón de Higgs, lo que parece haberse logrado ya, así como encontrar evidencias experimentales que permitan responder a las cuestiones anteriores.

Ahora bien, ¿por qué al hacer colisionar protones con energía tan elevada se puede obtener respuesta a todos esos interrogantes?.

A la energía a la que colisionan los protones, debido a consideraciones que están fuera del alcance de este artículo, su masa aumenta enormemente respecto a la que tienen en reposo [1]. Tras la colisión, los protones incidentes se desintegran y la energía liberada se transforma en nuevas partículas que pueden ser miles de veces más pesadas que los protones iniciales. De acuerdo a la célebre ecuación de Einstein E = mc², energía y masa son dos caras de una misma moneda, la masa se puede transformar en energía y viceversa de acuerdo con la ecuación anterior. En el LHC, esa transformación sucede en cada colisión.

Así pues, en la colisión la energía inicial de los protones se transforma en masa de nuevas partículas más pesadas, que se “crean” en ese momento. De esta forma, las colisiones recrean los procesos que tuvieron lugar en los inicios del universo, produciendo partículas que eran abundantes inmediatamente después del Big Bang. La figura muestra de manera esquemática un de tales procesos:

Colisiones p-p

Esquema simplificado que ilustra la colisión entre dos protones de alta energía y la aparición de partículas de mayor masa que estos tras la colisión.

Uno de los muchos problemas con los que se encuentran los científicos que analizan las colisiones es que las partículas de masa elevada creadas tras la colisión, por regla general, son muy inestables y se desintegran en un tiempo brevísimo en otras más pequeñas, por lo que la manera de averiguar qué se ha creado en la colisión es seguir el rastro a las sucesivas desintegraciones para reconstruir el proceso desde el principio. Siguiendo esas trayectorias, los científicos son capaces de determinar el tipo y las características de las partículas creadas en el momento de la colisión y deducir gran número de sus propiedades y de su comportamiento.

Por poner un símil explicativo más sencillo: imaginemos qué ocurre tras la explosión de una bomba de la que queremos averiguar sus principales características (forma, peso, materiales con los que se fabricó, etc.). Si siguiéramos las trayectorias todos y cada uno de los fragmentos en los que explota, aplicando las leyes de la Física seríamos capaces de reconstruir con precisión todos los detalles de la bomba. Pues los científicos del LHC hacen exactamente eso en el acelerador, siguen los “fragmentos” producidos tras la colisión de gran número de protones.

2. ¿Cuáles son las principales características del LHC?
Para lograr los objetivos descritos en el apartado anterior se necesitan unas características técnicas y unas condiciones de trabajo de la máquina que la hacen verdaderamente singular y única en su clase:

(i) Tecnología de ultra alto vacío para permitir la circulación de los        protones.
A la velocidad a la que viajan los protones, dan 11.245 vueltas completas al anillo cada segundo. Es imprescindible que durante su recorrido no choquen con nada, lo que obliga por una parte a mantener su trayectoria perfectamente definida (para evitar el choque con las paredes de los tubos) y por otra, a que los tubos por los que circulan no contengan ninguna partícula de aire con la que pudieran chocar y así frenar su movimiento; es decir los tubos deben estar literalmente vacíos. ¿Cómo de vacíos?: a una billonésima parte de la presión atmosférica, presión inferior a la que existe en el espacio interestelar. Esto se logra con equipos de bombeo que extraen todo lo que hay en el interior de los tubos y los mantienen así mientras los protones circulan por ellos.

ii) Criogenia para alimentar los imanes que fijan la trayectoria de los protones.
Para que los protones recorran el tubo sin chocar con las paredes, es preciso fijar con gran precisión su trayectoria en el interior. Eso se logra mediante campos magnéticos muy intensos aplicados a lo largo de todo el acelerador. Esos campos se generan mediante corrientes eléctricas elevadísimas, del orden de 12.000 amperios (como comparación, en un hogar típico la máxima corriente que se necesita en los momentos de picos de demanda es del orden de 40-50 amperios).

Los cables ordinarios como los que utilizamos para conectar a la red los electrodomésticos habituales de un hogar tienen una pequeña resistencia eléctrica, lo que hace que al circular corriente por ellos tengan unas ciertas pérdidas de energía, pérdidas que se manifiestan en el hecho de que los cables se calientan al paso de la corriente. Con las corrientes habituales, estas pérdidas son muy poco significativas, pero con las corrientes necesarias para crear los campos magnéticos en el acelerador, las pérdidas serían tales que los cables se volatilizarían, de manera que es inviable utilizarlos para obtener esos campos. Así pues, se debe recurrir a una clase de materiales que no presentan resistencia eléctrica. Esos materiales se llaman superconductores y el principal problema que presenta su uso es que su resistencia eléctrica sólo desaparece cuando se encuentran a temperaturas extremadamente bajas, de manera que para poder funcionar adecuadamente deben estar enfriados a 271,3 ºC bajo cero. Eso obliga a refrigerar esos materiales con He líquido, muy costoso y difícil de manejar, ya que se evapora con suma facilidad.

Los cables superconductores enfriados a esa temperatura sirven para generar campos magnéticos en 9.593 imanes de diferentes variedades y tamaños, distribuidos a lo largo del acelerador con objeto de definir con precisión la trayectoria de los protones así como de confinarlos en un espacio muy reducido para facilitar la colisión entre ellos en las cuatro zonas donde están los detectores.

El diámetro del paquete de protones justo cuando alcanza la zona de colisión es del orden de 15 millonésimas de metro. Por comparación, el diámetro de un cabello humano es de unas 50 millonésimas de metro. Los protones son tan pequeñas que lograr que choquen frontalmente es similar a disparar dos agujas a 10 kilómetros de distancia con tal precisión que sus puntas se encuentren a mitad de camino.

LHC-Con el dipolo

Túnel en el que esta instalado el LHC. En la esquina inferior derecha se muestra la sección transversal del acelerador. Los protones circulan en sentidos opuestos por los dos tubos centrales de color anaranjado. El resto de los diversos componentes que se aprecian son los distintos servicios necesarios para el correcto funcionamiento del acelerador: vacío, alimentación de los imanes, pantallas de aislamiento térmico, etc.

iii) Electrónica para detectar los productos de las colisiones.
Una vez han colisionado los protones entre sí, hay que seguir el rastro de los productos de la colisión y definir con precisión la trayectoria que describen, obtener la masa de las partículas creadas, su energía, etc. En los cuatro puntos donde colisionan hay cuatro grandes detectores cuyos acrónimos son CMS, ALICE; ATLAS y LHCb. Los detectores son máquinas enormes que llevan instalados más de 150 millones de dispositivos de detección distribuidos en diversas capas cilíndricas concéntricas con el tubo donde suceden las colisiones. Esos dispositivos de detección son sensibles a alguna de las características de las partículas. Cuando los atraviesa alguna de ellas, genera una señal eléctrica, señal que debe recogerse adecuadamente para su análisis posterior. Hay que tener en cuenta que se producen del orden de 600 millones de colisiones cada segundo, con lo que el número de señales generadas por los dispositivos de detección es descomunal, aunque no se analizan todas las colisiones, pues la gran mayoría de ellas no proporcionan información relevante [2]

iv) Informática para recopilar y analizar la información.
Si todas las magnitudes del LHC son enormes, las relacionadas con la información almacenada rebasan cualquier límite imaginable. Los detectores descritos en el punto anterior suministran información a razón de 40 millones de datos por segundo. Esto hace que en un año se generen 15.000.000 GBytes. Si se almacenaran en CDs, formarían un torre de ¡20 km de altura!. Evidentemente, tal cantidad de datos no se pueden procesar en un único ordenador, por potente que sea; precisamente esta situación posibilitó el nacimiento, a finales de los años 80, de la World Wide Web. Me detendré en esta cuestión en el próximo artículo.

3. Recursos humanos y costes del LHC
Una instalación de estas características necesita un presupuesto muy elevado así como un personal (físicos e ingenieros) altamente cualificado para extraer el máximo de sus posibilidades. El personal que trabaja en el LHC así como las cifras económicas son, a grandes líneas, las siguientes:

El personal lo integran unos 2.500 miembros de plantilla y del orden de 13.000 ingenieros, colaboradores, visitantes y becarios.

La máquina, construida entre 1994 y 1998, costó alrededor de 5.000 millones de euros. Su mantenimiento anual, costeado por los países integrantes del CERN, es de unos 1.100 millones de euros (datos de 2014). Esos costes los financian cerca de 100 países, en partes proporcionales a su grado de participación en el proyecto.

A menudo surge la cuestión de si esas cantidades no deberían invertirse en otras necesidades de todo tipo más prioritarias, en particular en los tiempos actuales. Para dar adecuada respuesta a una duda tan legítima, en un próximo artículo daré cuenta de los enormes beneficios de toda índole que el LHC devuelve a los países que lo financian.
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[1] El aumento de la masa a velocidades próximas a la de la luz es una consecuencia de la teoría de la relatividad, debida a Albet Einstein

[2] El lector interesado puede consultar este excelente artículo para obtener más detalles sobre los procedimientos de detección de las partículas creadas en las colisiones, así como para conocer con más precisión las características de los cuatro grandes detectores del LHC