El Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), ubicado cerca de Ginebra, es el mayor centro mundial de investigación en física fundamental. Aunque su existencia es familiar para muchos, son pocos los que han tenido ocasión de verlo en persona o conocer qué trabajos se desarrollan allí.
La joya del CERN es accesible solo a unos pocos técnicos de mantenimiento y, por supuesto, nunca cuando está en marcha. Se encuentra enterrada a unos cien metros de profundidad en un túnel en forma de anillo de 27 kilómetros de circunferencia. Esa dimensión es tan enorme que desborda el territorio nacional suizo y la mayor parte de su longitud está en Francia.
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Por el interior del túnel circula la larga tubería pintada de color azul claro y rodeada, a intervalos regulares, por potentísimos imanes y otros equipos ciertamente incomprensibles para el profano. Es el LHC o Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador de partículas más potente jamás construido. En su momento, hace más de treinta años, Estados Unidos empezó uno aún mayor, pero su enorme coste obligó a abandonar la idea cuando ya se habían enterrado en ella unos 2.000 millones de dólares.
Los “hadrones” a los que se refiere la “H” del nombre son una forma complicada de referirse a protones y neutrones, las dos partículas subatómicas compuestas por tres quarks. Hay otros —los mesones— pero estos son muy inestables y pertenecen a otra guerra. El LHC acelera protones, aunque a veces se hacen experimentos con núcleos de elementos pesados como el plomo.
Imagen del detector ALICE en el acelerador de partículas LHC del CERN.
La idea consiste en hacer chocar las partículas con la mayor violencia posible para que la energía desarrollada en el impacto se manifieste en la creación de un alud de radiación y nuevas partículas. Es una consecuencia directa de lo que dijo Einstein: en esencia, energía y materia son dos caras de la misma moneda. Acelera más y más una partícula (con lo que su energía aumenta) y su masa irá creciendo también progresivamente.
El LHC está siempre en funcionamiento, salvo el periodo navideño, que se aprovecha para trabajos de mantenimiento. Preparar la máquina exige semanas. Ante todo, hay que evacuar las tuberías por donde circularán las partículas. Extraer todo el aire hasta que la presión interior equivalga a un vacío equivalente al que existe en el espacio interplanetario. Cualquier molécula de gas remanente sería un grave obstáculo al paso de los haces de protones.
Mantener confinado al haz a velocidades relativistas requiere tremendos campos magnéticos, cientos de miles de veces superiores al de la Tierra
Entretanto, hay que ir enfriando los imanes superconductores que guiarán el haz a lo largo de su camino, ajustándole a la suave curvatura del acelerador e impidiendo que impacte contra las paredes. En total, hay 1232 segmentos o “dipolos” de 15 metros cada uno (era el máximo que podía transportarse por carretera). Parecen rectos, pintados de un bonito color azul, pero en realidad están ligerísimamente curvados para adaptarse al anillo subterráneo.
Mantener confinado al haz a velocidades relativistas requiere tremendos campos magnéticos, cientos de miles de veces superiores al de la Tierra. Se consiguen mediante electroimanes alimentados por ingentes cantidades de electricidad, más de 10.000 amperios. Semejante intensidad desprendería suficiente calor para fundir cualquier conector de cobre convencional; es por eso que hubo que recurrir a fibras de una aleación de niobio y titanio que bajo determinadas condiciones ofrecen resistencia eléctrica nula y, en consecuencia, no se calientan. Es el fenómeno llamado “superconductividad”.
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Los cables solo adquieren superconductividad a temperaturas muy bajas: 271ºC bajo cero, apenas un par de grados por encima del cero absoluto. El refrigerante es helio líquido que empapa el interior de los dipolos. 130 toneladas en total. Y unas 10,000 toneladas más de nitrógeno líquido que se han empleado en la primera fase de refrigeración. Enfriar el LHC lleva alrededor de un mes.
Uno de los muchos problemas que hubo que resolver fue la resistencia de los núcleos metálicos de los electroimanes. El campo magnético que generan es tan intenso que tendían a romperse a sí mismos. El interior de la tubería del LHC contiene kilómetros y kilómetros de armaduras de acero reforzadas para resistir su propia tendencia al aplastamiento.
Producción de dos fotones (en verde) a partir de una colisión de protones en el detector Atlas del acelerador de partículas LHC del CERN.
Cuando el equipo está a punto, llega el momento de conseguir los protones. ¿Cómo? Pues a partir de una bombona de hidrógeno que podría confundirse con una de buceo, si no fuera por su color rojo chillón. Solo contiene cinco kilos de gas, pero lo que se inyecta es muchísimo menos.
Un átomo de hidrógeno consta de un protón y el electrón. Mediante unas descargas eléctricas, el electrón se expulsa y queda solo una pequeña nube de protones (apenas unos pocos millones), que se dirige hacia el acelerador auxiliar, otro anillo -una reliquia de épocas pasadas- que los pondrá al 99,9997828 % de la velocidad de la luz. Parece mucho pero el LHC los acelerará aún más.
La teoría de la relatividad nos dice que, a tales velocidades, la masa de la partícula aumenta. Y mucho.
La teoría de la relatividad nos dice que, a tales velocidades, la masa de la partícula aumenta. Y mucho. Por eso, para ganar solo unos pocos metros por segundo más, hace falta aplicarle un impulso monstruoso. De ahí la necesidad de una máquina igualmente gigantesca como es el LHC.
Cuando ha alcanzado la velocidad adecuada en el anillo preparatorio, el haz de protones se desvía mediante campos magnéticos y entra en el principal de 27 kilómetros. Dentro existen dos caminos separados, como las dos calzadas de una autopista. Cada uno es un tubo del grosor de un brazo. En uno se inyecta un haz de protones en un sentido y en el otro, otro haz, en sentido opuesto. Los imanes semiconductores se encargan de centrar el enjambre de partículas y guiarlo alrededor de la circunferencia.
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En el interior de anillo, los haces van ganando energía poco a poco al pasar por unas cámaras en las que reciben pequeños impulsos sucesivos en forma de ondas de radio sincronizadas por el paso de las partículas. Cada uno es un empujoncito cuyo efecto va acumulándose. Una vez por vuelta, 11.245 vueltas por segundo. El haz, que al principio no era más grueso que una mina de lápiz pasa a través de otras lentes magnéticas y se irá concentrando hasta conseguir un diámetro microscópico, más delgado que el grosor de un cabello en el punto de colisión.
A su máxima velocidad, las partículas se mueven sólo 10 kilómetros por hora más lentas que la luz. En todo el anillo hay cuatro estaciones equipadas con sensores para medir el resultado de las colisiones, aproximadamente en los cuatro puntos cardinales de la circunferencia. Los dos tubos guía de partículas corre paralelos a lo largo de los 27 kilómetros, excepto en el interior de esas estaciones, donde se cruzan de forma que, llegado el caso, los dos haces puedan colisionar.
El túnel del LHC en el punto 1 CERN (Foto de ARCHIVO) 23/09/2021.
Los protones no forman un chorro continuo. Van agrupados en enjambres de unos diez billones de partículas, cada grupo separado del siguiente por apenas diez metros.
Para provocar la colisión, otro sistema magnético desvía ligeramente los protones. Apenas unas milésimas de grado. Es suficiente para que ambos haces se aparten de su trayectoria y vayan a estrellarse uno contra otro, como dos locomotoras lanzadas a toda velocidad por la misma vía.
En el momento del impacto, las partículas se están moviendo al 99’999996% de la velocidad de la luz. Por efecto relativista, la masa de cada protón ha aumentado miles de veces con respecto a su valor en reposo. Su energía es de casi 7 teraelectrónvoltios. En cada choque se liberan, pues, 14 TeV.
En el momento del impacto, las partículas se están moviendo al 99’999996% de la velocidad de la luz
¿Es mucho? Pues más o menos, lo mismo que si dos mosquitos chocan en el aire. O la energía que supone la caída de un alfiler sobre la mesa desde un palmo de altura. Pero eso es para cada par de protones. Y el haz lleva millones. Si pone usted la mano en el trayecto del haz para detener un paquete de partículas (cosa que no le recomiendo en absoluto) notará como si le embistiese un elefante adulto lanzado a la carrera. La energía total acumulada en cada uno de los dos haces que giran dentro del LHC equivale a casi 90 toneladas de TNT.
En caso de emergencia, habría que disipar rápidamente la energía contenida en el acelerador. Unos sistemas automáticos detectan la desviación del haz o la pérdida de refrigerante y pueden desviar las partículas hacia una salida segura en menos de un milisegundo. Tiempo suficiente, por otra parte, para que todavía den tres vueltas al anillo.
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El “cubo de basura” donde van a parar es un cilindro de grafito de más de 7 metros de longitud, envuelto en capas de metales pesados, acero y hormigón. Dada la energía que ha de absorber, por simple precaución está emplazado en una caverna aislada a medio kilómetro de distancia.
En circunstancias normales, las colisiones se producen dentro de uno de los cuatro detectores repartidos a lo largo del anillo. Esos son el verdadero centro neurálgico del LHC y el tema de la próxima entrega.