Acelerador de partículas

¿Qué es un acelerador de partículas?

Un acelerador de partículas consiste esencialmente en un gran anillo hueco en el que se intercalan grandes fuentes de energía eléctrica y grandes imanes en los que se inyectan electrones, iones o protones. Estas partículas elementales se aceleran a velocidades de hasta el 99% de la velocidad de la luz y colisionan a las más altas energías que el hombre conoce. En estos choques se generan nuevas partículas subatómicas cuyo tiempo de vida es ínfimo, pero suficiente para poder ser estudiadas.

Ese estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, etc.

Componentes de un acelerador de partículas

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son: los componentes generadores de fuerzas, los blancos, y los detectores.

- Componentes generadores de fuerzas:

• Dipolos eléctricos. Se aplica una diferencia de potencial, generando un campo eléctrico 
• Dipolos magnéticos. Se crea un campo magnético 
• Multipolos magnéticos. Se utilizan para enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente y se eviten pérdidas en el trayecto.

- Blancos: Son los objetivos donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias. Los blancos se pueden distinguir entre fijos o móviles. En los fijos se engloban todos aquellos que hacen impactar las partículas aceleradas contra un blanco inmóvil, como los aparatos de rayos X . En los móviles se encuentran aquellos que hacen impactar las propias partículas entre ellas, por ejemplo en los colisionadores.

- Detectores: Para ver las partículas generadas en el impacto contra el blanco son necesarios los detectores. Dos de los detectores más conocidos construidos para detectar las partículas creadas en las colisiones son: CMS y ATLAS, instalados en el LHC.

Una versión sencilla del conjunto acelerador-blanco-detector sería el aparato de televisión. En este caso el tubo de rayos catódicos es el acelerador, que impulsa los electrones hacia la pantalla revestida de fósforo interiormente que actuaría de blanco, transformando los electrones en fotones (con energía en el rango del visible) que, si estuviéramos mirando la televisión, impactarían en los conos y bastoncillos de nuestras retinas (detectores), enviando señales eléctricas a nuestro cerebro (el supercomputador) que interpreta los resultados.

El LHC

El LHC (Gran colisionador de hadrones) es la respuesta del CERN a la búsqueda de los científicos de los misterios de la materia. Construido en el túnel que albergó durante los años setenta al LEP (gran colisionador de protones), es el mayor acelerador de partículas que existirá sobre la Tierra. Su objetivo es hacer colisionar protones a tal velocidad que éstos darán 11.245 vueltas al anillo en cada segundo. Los chorros de protones inyectados en su interior viajarán durante diez horas diez billones de kilómetros hasta conseguir una energía similar a la que tendría un coche a 1.600 kilómetros por hora. Los choques entre estos haces de partículas generarán nuevas partículas, unas ya conocidas y otras -como los bosones de Higgs- cuya existencia aún no conocemos, pero que han sido predichas por las teorías físicas.

Para conseguir acelerar los haces de partículas a velocidades cercanas a la de la luz, en el LHC se utilizan más de 1.800 sistemas magnéticos de superconductores. Estos imanes emplean materiales superconductores que a muy bajas temperaturas permiten conducir la electricidad sin casi resistencia. 

El LHC utiliza imanes de niobio y titanio que operan a temperaturas del orden de 271º bajo cero. Si el LHC utilizara imanes ‘normales’, el campo magnético que generaría sería al menos cuatro veces menor y con un consumo energético mucho mayor. Así, la circunferencia de un acelerador que usara ‘imanes calientes’ debería ser de 120 kilómetros de longitud y consumiría 40 veces más electricidad que usando los imanes criogénicos. La bajísima temperatura de estos imanes se mantiene con helio líquido.

Los haces de partículas acelerados en el LHC chocan en dispositivos especiales, las unidades detectoras, donde las nuevas partículas generadas se hacen visibles durante unos instantes a través de las trayectorias que describen, de los cambios energéticos detectados o de cambios predichos por los físicos en los campos magnéticos o eléctricos. Cada haz de partículas consiste en unos 3.000 sub-haces, cada uno de los cuales contiene unos 100 billones de partículas. Pero éstas son tan pequeñas que cuando los haces chocan no provocan más de 20 colisiones por cada 200 billones de partículas. Los haces llegan a chocar hasta 30 millones de veces en un segundo, lo que quiere decir que en el LHC se generarán hasta 600 millones de choques en cada segundo. Cada una de estas colisiones se ha de filtrar para que sus datos sean analizados por un gigantesco sistema de ordenadores -el GRID-, cuyos datos serán estudiados por los físicos. El LHC está dotado de cuatro estaciones detectoras: el CMS, ALICE, ATLAS y LCHb.

El Bosón de Higgs                        

El Bosón de Higgs es la última pieza que falta para entender el comportamiento de las partículas que componen los átomos y explicar así cómo surgió el universo tras el Big Bang. Hasta ahora, los datos obtenidos gracias al LHC ofrecen pruebas significativas de la partícula, pero no bastan para reclamar su "descubrimiento" ni el Nobel que lleva pegado.

El higgs servirá para entender el comportamiento de las partículas. Para la búsqueda de tan deseada partícula se emplea un detector de unos siete pisos de alto que disecciona colisiones entre grupos de protones que viajan a casi la velocidad de la luz. Los choques revientan esos protones haciendo aflorar sus componentes indivisibles. Son millones de partículas elementales entre las que buscar el higgs. Este componente es la pieza perdida de un puzzle llamado modelo estándar, una teoría que explica casi a la perfección el comportamiento de las partículas elementales y que, de confirmarse, podría explicar cómo tras el Big Bang esas partículas se unieron para hacer protones, electrones, átomos, moléculas y así hasta llegar a 13.700 millones de años después.

La clave para que todo eso suceda, ese casi que falta para cuadrar el modelo estándar, es la masa. Las partículas elementales, según esta teoría, tienen masa, y el responsable de ella sería el bosón de Higgs. Para encontrarlo hay que adivinar la masa del bosón, algo que los físicos del CERN llevan años intentando, primero con aceleradores como el LEP y después con máquinas tope gama como el LHC.

El LEP demostró que la masa del higgs no podía ser menor que 115 gigaelectronvoltios (GeV), la unidad que se usa en el mundo de las partículas elementales, billones de veces menores que un centímetro. Después llegó el LHC, que estrechó ese cerco a entre 116 y 130. Para atar el descubrimiento habrá que esperar a los cinco sigmas, algo que, al ritmo actual, no debe esperarse hasta "antes de verano de 2012". 

Pero la caza no acabará en 2012 sino que seguirá durante décadas. El LHC dirá el próximo año si el higgs existe, pero habrá que confirmar si se trata del tipo de partícula que cuadra con el modelo estándar o si, por el contrario, es un bosón alienígena que apunta a un origen de la masa diferente al predicho por la teoría.