¿Cómo funciona el CERN y por qué aceleramos las partículas?

CernTodos hemos oído o leído del famoso acelerador de partículas en Suiza, donde se llevan a cabo asombrosas proezas científicas. Sin embargo, no siempre está claro qué es y por qué es tan útil acelerar partículas y luego hacerlas chocar entre sí. Empecemos por la infraestructura. Dentro de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) se encuentra el anillo subterráneo gigante llamado gran colisionador de hadrones (LHC, por sus siglas en inglés).

Es un circuito de 27 kilómetros donde los investigadores chocan partículas después de empujarlas a velocidades algo más lentas que la de la luz. El laboratorio más grande del mundo está enterrado bajo tierra a una profundidad de 100 metros entre Suiza y Francia, cerca de Ginebra.

Hacer un experimento en el LHC significa, en cierto sentido, viajar en el tiempo y retroceder unos 13 800 millones de años, durante la serie de eventos que llamamos Big Bang. Hoy, los investigadores del CERN intentan reproducir algunas de esas condiciones extraordinarias para obtener información valiosa y enriquecer nuestro conocimiento en el campo de la física de partículas. Y no solo eso.

Para descubrir los secretos más ocultos de la materia, es necesario descomponerla en fracciones más pequeñas. Esta es la razón por la que se hacen chocar las partículas entre sí, de manera que se rompan y luego se puedan analizar las piezas. En esencia, en laboratorios como el LHC es donde se ponen a prueba las teorías desarrolladas a lo largo de décadas.

Las partículas que se utilizan en el acelerador más grande del mundo se almacenan en un pequeño cilindro cargado de hidrógeno. Los átomos de hidrógeno se transfieren del cilindro a un primer acelerador lineal de partículas, Linac4, un tubo de casi 90 metros de largo. A cada átomo se le quita su propio electrón, dejando solo el núcleo que consta de un protón.

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Cómo se aceleran las partículas

Al aplicar una carga eléctrica, el haz de protones se mueve cada vez más rápido dentro del Linac4. De modo que, al salir del acelerador, su velocidad es de unos 100 mil kilómetros por segundo, más o menos un tercio de la velocidad de la luz. A continuación, el haz se dirige hacia un primer acelerador circular (PSB). Está formado por cuatro anillos tubulares de 50 metros de diámetro. Después se divide en cuatro partes, una para cada anillo, para que la aceleración sea más eficiente.

Por encima de cierta medida, los aceleradores circulares son más prácticos que los lineales porque ahorran espacio al hacer girar las partículas. Como si estuvieran en una pista de atletismo. La aceleración se imprime aplicando cada cierto tiempo un impulso eléctrico. Sin embargo, seguir una curva a alta velocidad no es fácil, porque se corre el riesgo de derrapar. Por eso, alrededor del tubo hay varios electroimanes que empujan los protones para que no se desvíen. Lo mismo se aplica, ampliado, en los otros aceleradores.

Los cuatro haces de protones alcanzan al final una velocidad igual al 91,6 % de la velocidad de la luz y se compactan. A continuación, se reconducen en un solo haz que sale del PSB y llega al PS. Este es el primer acelerador de partículas circular (sincrotrón) construido en el CERN en la década de los cincuenta. Tiene unos 140 metros de diámetro y su tarea es acelerar cada haz de protones al 99,9 % de la velocidad de la luz en tan solo 1,2 segundos. Después de cierto punto, la energía añadida a través de los impulsos ya no puede producir un aumento de la velocidad porque los protones ya están cerca del límite de la velocidad de la luz.

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Los experimentos del CERN

Sabemos, de hecho, que energía (E), masa (m) y velocidad de la luz (c) están relacionadas, como demostró Albert Einstein con su «E = mc²». Por tanto, la energía que se agrega pasado este umbral se manifiesta a través de un aumento en la masa de los protones. Es decir: los protones no pueden ir más rápido y, como resultado, se vuelven más pesados.

Entonces, los haces de protones están listos para su carrera final en el LHC, el último gran acelerador. La circunferencia de 27 kilómetros está formada por dos tubos que se cruzan en cuatro puntos. En uno de ellos, los haces de protones circulan en sentido horario y, en el otro, en sentido antihorario. Alcanzan una energía de 6,5 teraelectronvoltios (TeV). Más o menos la energía cinética de un mosquito en vuelo. Para partículas tan pequeñas es una cantidad enorme.

La temperatura dentro del LHC es de -271 °C. En cierto sentido, es el frigorífico más grande del mundo. Poco antes de la colisión entre los dos haces, se utiliza un tipo particular de imán para agrupar los protones y hacer que permanezcan alineados. Así es más fácil que colisionen en coincidencia de uno de los detectores de los cuatro principales experimentos realizados en el CERN. Se trata de ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. Y, dentro de poco, también FASER y SND@LHC.

Los detectores de partículas usados son enormes y están formados por varias unidades más pequeñas. Algunos sistemas revelan el camino seguido por las partículas, otros miden su energía y el resto emplean varias técnicas para identificar el tipo. Los cálculos son muy complejos y sujetos a errores. De cualquier manera, al juntar toda esta información, los investigadores pueden crear una especie de instantánea de los efectos de los choques.

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Utilidad de la aceleración de partículas

La energía total de los dos haces de protones durante la colisión es de unos 13 TeV. Es un nivel de energía comparable a la que hubo en los primeros momentos del universo. Las condiciones reproducidas son, por tanto, idóneas para saber qué pasó en ese instante y cuáles fueron los procesos que dieron lugar a la materia y a la antimateria.

Mantener una estructura tan grande y compleja requiere mucha energía, en todos los sentidos. Y una financiación de miles de millones de euros que ha sido posible gracias a la implicación de los 12 países fundadores. El CERN ahora planea construir un acelerador aún más grande, con una circunferencia de 100 kilómetros.

Además de ampliar nuestro conocimiento sobre los mayores misterios de la existencia, las cuantiosas inversiones en este sector tienen importantes repercusiones en nuestra vida cotidiana. Las tecnologías desarrolladas para hacerlos funcionar se utilizan, en escalas más pequeñas, para producir haces de partículas para atacar ciertos tipos de tumores. Y para obtener imágenes en alta resolución de los órganos y otras estructuras de nuestro organismo.

Los aceleradores de partículas también están presentes en ciertos tipos de escáneres en los controles de seguridad de los aeropuertos. Así como en algunas máquinas industriales para la producción de semiconductores, componentes esenciales de los dispositivos electrónicos. Otros usos se refieren al tratamiento de aguas residuales, el control de los niveles de contaminación del aire y, en el futuro, la fusión nuclear. Por último, en el CERN se ideó la World Wide Web para facilitar las comunicaciones y el intercambio de datos entre los investigadores de los distintos laboratorios.

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Imágenes | Michal Matlon/Unsplashh, D koi/Unsplash, Hal Gatewood/Unsplash, Erwan Martin/Unsplash

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