Índice

    1. ¿Qué es?

    2. ¿Cómo surgió?

    3. ¿Cómo funciona?

    4. Composición

      1. ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus)

      2. CMS (Compact Muon Solenoid)

      3. LHCb (Large Hadron Collider beauty)

      4. Alice (A Large Ion Collider Experiment)

    5. Hallazgos y alarmas sobre posibles catástrofes del colisionador de hadrones

    6. Datos de interés

      1. Imágenes

      2. Videos



1. ¿Qué es?

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa un túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.
Este acelerador son en realidad dos aceleradores. Uno que acelera partículas en una dirección y el otro que las acelera en la contraria. Solamente que están metidos en el mismo tubo, y emplean los mismos imanes. Y por eso se habla de un acelerador pero en realidad son dos. Es un colisionador.
Lo que hace es producir partículas de muy alta energía (llegan a alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz), que se llaman protones, y hacerlas chocar de frente una contra la otra produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang.
Es más favorable hacerlas chocar en direcciones contrarias porque así la energía está más útilmente empleada. Es como cuando uno hace colisionar dos coches en direcciones opuestas en una autopista o en la misma dirección, el choque de frente es más brutal y penetra más adentro, por así decirlo, en los objetos que queremos estudiar, que son las partículas que colisionan y también las partículas que producen. Porque debido fundamentalmente a la conocida fórmula 'E=mc2' uno puede convertir la energía del movimiento de partículas en la masa de nuevas partículas. Por eso cada vez que tenemos un acelerador que tiene más energía exploramos la existencia de partículas que tienen más masa. Partículas que no existen en el universo hoy en día porque típicamente tienen una vida muy breve. Tienen una vida de fracciones de segundo. De manera que si alguna vez las hubo, ya no las hay. Si queremos saber que existen las tenemos que fabricar. Y este colisionador de partículas, estos dos aceleradores opuestos lo que hacen es eso: intentar crear partículas cuya existencia sospechamos pero que nunca hemos visto.
Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs, a veces llamada "partícula de Dios" o “partícula de la masa”. La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar de la física, pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa.
Ubicación geográfica.
Ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza, a unos 100 metros bajo tierra.

2. ¿Cómo surgió?

Durante la primera mitad del siglo pasado, los logros en Europa dominaban el progreso de la física, desde el descubrimiento del electrón hasta el núcleo atómico y sus componentes, como también desde la relatividad especial hasta la mecánica cuántica. Lamentablemente, los conflictos de la década de 1930 y 40 interrumpieron este experimento como muchos otros, y científicos de la época tuvieron que dejar esto para épocas más tranquilas. El retorno de la paz anunció algunos cambios decisivos. Por los años 50, los norteamericanos entre otros, utilizaron los nuevos avances para realizar los experimentos con instrumentos más sofisticados, y que la inversión en ciencia básica pudiera impulsar el desarrollo económico y tecnológico. Los científicos en Europa todavía dependían de un equipo sencillo basado en la radioactividad y los rayos cósmicos, mientras que en EEUU estaban construyendo aceleradores de gran alcance. Experimentos creados sin alta tecnología estaban superando proyectos que implicaban grandes equipos de científicos e ingenieros.
Algunos clarividentes físicos, tales como Rabi, Amaldi, Auger y de Rougemont, percibieron que la cooperación era el único camino a seguir para la investigación en la primera línea de Europa. A pesar de finas tradiciones intelectuales y universidades de prestigio, ningún país europeo podía afrontar esto por sí solo. La creación de un Laboratorio Europeo se recomendó en una reunión de la UNESCO en Florencia en 1950, y menos de tres años después, un Convenio fue firmado por 12 países del Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire. CERN nació, el prototipo de una cadena de instituciones europeas que estudiarían el espacio, la astronomía y la biología molecular. Así Europa estaba a punto de recuperar su lugar en el mapa ilustre científico.
A posteriori el gran invento producido por todo lo anteriormente dicho fue el Gran Colisionador de Hadrones, artilugio en el que fueron invertidos más de 4000 millones de euros y en cuya construcción participaron miles de científicos de unos 50 países. Con este experimento, el cual tardaron 14 años en construirlo, esperan recrear el nacimiento del universo.

3. ¿Cómo funciona?
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El Gran Colisionador de Hadrones se aloja dentro de un túnel de 27 kilómetros de circunferencia. Dentro de este conducto que conecta los cuatro detectores fundamentales, ATLAS, CMS, ALICE y LHCb, viajan dos haces de protones en direcciones opuestas. Más de mil imanes cilíndricos unidos y enfriados a –271ºC dirigen a las partículas. Cuando éstas alcanzan una velocidad próxima a la de la luz, chocan frontalmente convirtiendo su energía en la masa de nuevas partículas según la fórmula de Einstein E=mc2. Con estas colisiones, los científicos consiguen recrear las condiciones esenciales de energía, temperatura y materia en los instantes posteriores al Big Bang.

4. Composición.
De los cuatro detectores más importantes que forman el colisionador, el ATLAS y el CMS tienen como propósito general la búsqueda de nuevas partículas; partículas que no existen en el universo hoy en día porque tienen una vida de fracciones de segundo, pero que se sospecha que un día existieron. Además, también ayudarán a corroborar o descartar la existencia del Bosón de Higgs: la última pieza del puzzle del llamado Modelo Estándar, el hipotético eslabón perdido en la teoría que explica las características básicas del universo y que aclararía qué da masa a las cosas.
Por su parte el LHCb estudiará la diferencias entre la materia y la antimateria y ALICE examinará la naturaleza de la materia que permaneció tras la Gran Explosión.

4.1. ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus).
Dimensiones: 46x25 metros.
Masa: 7000 toneladas.
Es el principal de los cuatro detectores colocados a intervalos regulares en la circunferencia subterránea del túnel del Gran Colisionador de Hadrones. Su misión es estudiar al detalle las partículas generadas por el choque de los dos haces de protones que viajan en sentido contrario.
El ATLAS consta de una serie de cilindros concéntricos de tamaños crecientes que rodean el punto de interacción, donde colisionan los haces de protones. Se divide en cuatro partes fundamentales:
  • Espectrómetro de muones: detecta y mide los muones, partículas con propiedades similares a los electrones pero más pesadas.
  • Calorímetros: miden la energía de las partículas que se generan tras la colisión.
  • Detector interno: mide la cantidad de movimiento de cada partícula cargada.
  • Sistema de imanes: formado por ocho bobinas de 25 metros de longitud, este imán gigante es el encargado de concentrar las partículas cargadas para analizarlas.

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4.2. CMS (Compact Muon Solenoid).

Dimensiones: 22x15m.
Masa: 14.500 toneladas.
Esta parte está formada por una serie de capas que detectan las partículas generadas en el choque de protones y que salen disparadas en todas direcciones. Las menos energéticas quedan enredadas en las capas interiores, mientras que las más poderosas atraviesan toda la red tridimensional del detector, dejando su rastro plasmado en el complejo instrumental. Se compone de:
  • Imán: permite determinar la relación masa/carga de las partículas que lo atraviesan
  • Detector de trazas: mide con precisión la cantidad de movimiento y las trayectorias de las partículas cargadas en una región próxima a la colisión. También revelan la posición donde se desintegran (decaen) partículas inestables de vida media larga.
  • Calorímetro hadrónico: mide la energía de los hadrones, es decir, partículas como los protones, neutrones, piones y kaones.
  • Detector de muones: localiza muones y su cantidad de movimiento.
  • Calorímetro electromagnético: mide las energías de fotones y electrones.

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4.3. LHCb (Large Hadron Collider beauty).
Dimensiones: 18x12m.
Masa: 4,27 toneladas.
Este experimento tiene como fin descubrir la diferencia entre la material y la antimateria. La razón principal de querer encontrar la diferencia entre ambas viene de la certeza de que en la creación del universo, es decir en el Big Bang, se formaron cantidades de materia y antimateria a partes iguales. Al encontrarse una partícula de materia y otra de antimateria ambas se destruyen generando energía, sin embargo la materia no se destruye completamente. Se cree que de estos residuos de materia resultantes de dicho encuentro se formó nuestro universo.
El dispositivo del experimento LHCb se encarga de crear varios tipos de quarks, entre ellos quarks b y antiquarks b, para que antes de desintegrarse vaya encontrando las diferencias entre materia y antimateria, durante las recreaciones del Big Bang hechas por el LHC.
Partes del dispositivo del LHCb:
Este dispositivo está compuesto por una serie de sub-detectores alineados a lo largo de 18 metros en el haz del LHC.
  • Sub-detector de muones: detectan los muones, unas partículas parecidas a los electrones pero más pesadas.
  • Calorímetro hadrónico: su trabajo es medir la energía de los hadrones.
  • Calorímetro electromagnético: mide la energía de fotones y electrones.
  • Detector de anillos Cherenkov (RICH): es el principal identificador de las partículas, consta de dos piezas principales que tienen entre medias el electroimán y el detector de trazas.
  • Electroimán: mide la cantidad de movimiento de cada partícula.
  • Detector de trazas: mide la trayectoria las partículas cargadas que salen de la colisión.
  • Detector de vértice: también mide la trayectoria de las partículas resultantes de la colisión pero se especializa en los quarks y los antiquarks b. Se conocen también como trayectógrafos móviles. Están situados en zonas muy cercanas a la trayectoria de los haces.

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4.4. Alice (A Large Ion Collider Experiment).
Dimensiones: 26x16m.
Masa: 10.000 toneladas.
La función de este experimento es estudiar el estado de la materia que quedó después del Big Bang conocido como plasma de quarks y gluones ó “sopa”. Lo hará por medio de la colisión de núcleos pesados tales como iones de plomo. Aunque también se hará con colisiones de núcleos ligeros protón-protón y protón-núcleo.
Con este experimento se intenta entender cómo fue la evolución de la materia desde el origen del universo hasta nuestros días. Puesto que la materia como hoy la conocemos está compuesta por átomos; los átomos por electrones, protones y neutrones, y estos a su vez por parejas de quarks y antiquarks ó por grupos de tres o cuatro quarks. Todos ellos van enlazado por los gluones, el enlace es tan potente que por eso no se aprecian quarks libres en condiciones normales.
Partes del dispositivo Alice:
El dispositivo cuenta con varios sistemas de rastreo. Un espectrómetro de fotones y otro de muones como los del LHCb. Además de un sistema de adquisición de datos.
  • Imán: se encarga de concentrar las partículas cargadas para su análisis.
  • Detector HMPD (Hanford multipurpose personnel dosimeter): determina la velocidad de las partículas.
  • Cámara de rastreo: proporciona imágenes en tres dimensiones de la trayectoria de las partículas cargadas gracias al rastro que éstas dejan.
  • Cámara TCP: rastrea los iones pesados.



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5. Hallazgos y alarmas sobre catástrofes del colisionador de hadrones.

Uno de los principales objetivos de los investigadores que crearon esta máquina era encontrar (si existe) la conocida como partícula de Higgs, la cual ayudaría a comprender por qué el universo es como es.
Desde que se presentó el proyecto del colisionador algunos científicos denunciaron ante un tribunal de Hawái y al Gobierno de Estados Unidos, afirmaban que el funcionamiento de este colisionador podría provocar procesos que derivasen en la destrucción del universo. Sin embargo, estas denuncias fueron rechazadas por la comunidad científica ya que carecían de resultados matemáticos que las apoyasen.
Los procesos catastróficos que denunciaban eran:
La formación de un agujero negro estable.
La formación de materia extraña supermasiva, tan estable como la materia ordinaria.
La formación de monopolos magnéticos (previstos en la teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protón.
La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.
A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas. La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas”.
Resumiendo:
En el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un solo átomo, ya que el 95% de estos son espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.
El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales similares o peores a los que serán producidos en el LHC.
Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la Tierra a velocidades (y por tanto energías) enormes, incluso varios órdenes de magnitud mayores a las producidas en el LHC.
Estos argumentos no impidieron que hubiera revueltas e incluso un suicidio por temor al fin del mundo cuando LHC lanzó su primera partícula el 10 de septiembre del 2008.
Sin embargo, tras no detectar amenazas mayores de las creadas normalmente por un elemento de estas dimensiones lo que si se han producido son grandes descubrimientos.
Por ejemplo, se ha descubierto una nueva partícula, el barión, compuesta por tres quarks, como el protón y el neutrón. Se desintegra prácticamente de inmediato y no se puede observar directamente sino que hay que reconstruir la cadena de desintegraciones que tienen lugar para confirmar que durante un fugaz momento ha existido.

6. Datos de interés:

6.1. Imágenes:

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6.2 Vídeos: