fronteras de la física: Instrumentos para el estudio de la estructura de la materia. Aceleradores y detectores de partículas


En la conferencia de hoy, el profesor Francisco Matorras Weinig del Instituto de Física de Cantabria (CSIC-UC) nos ha presentado la herramientas que se utilizan para el estudio de la naturaleza y estructura de los muy pequeño, de los ladrillos fundamentales de la materia: los aceleradores de partículas y los detectores de partículas.

Los inicios de los experimentos que llevan al estudio de la partes elementales que constituyen en la materia, en concreto de la estructura atómica de la misma se inician con el experimento de Rutherford en 1909, que se considera como el inicio de la física de partículas. En este experimento, Rutherford lanzó un haz de partículas alfa contra unas láminas de oro muy finas y descubrió con sorpresa que la materia no estaba constituida por átomos con una estructura de pudding con tropiezos, los electrones (el modelo de Thomson), sino que había unos núcleos y unos electrones y un espacio entre ellos, como un pequeño sistema solar (modelo de rutherford y/o modelo de Bohr)

El concepto de lanzar partículas de alta energía es el principio sobre el que se sustenta el funcionamiento de los aceleradores de partículas. Hay una estructura común de fuente (source), objetivo (target) y detector. En este caso disponemos de una amplia variedad de partículas y en vez lanzar la partículas contra un material, lo que hacemos es que colisionen dos partículas entre sí. En realidad, en los experimentos reales, no son dos partículas individuales sino un haz de partículas.

Es interesante reflexionar sobre el hecho de lanzar unos objetos contra otros para averiguar su estructura. ¿Por qué lanzamos un determinado tipo de partículas? Las partículas alfa del material radioactivo del experimento de Rutherford, por el principio de dualidad onda partícula no son más que ondas con una determinada longitud de onda. Toda onda electromagnética, en especial la luz visible, tiene un límite para distinguir dos objetos próximos entre sí, debido a la interferencia que se produce entre la luz reflejada por dichos objetos. Este límite de interferencia solamente se puede evitar reduciendo la longitud de onda con la que iluminamos los objetos. Esta es otra forma de ver, desde el punto de vista de las ondas. Así que si queremos ver algo muy pequeño tenemos que utilizar un rayo con la longitud de onda muy pequeña. Existe una relación entre la energía y la longitud de ona E=hc/lambda donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y lambda es la longitud de onda. Así pues vamos a necesitar mucha energía (relación inversa) y esto es la razón por la que tradicionalmente se ha llamado física de altas energías a la física hecha con los aceleradores de partículas.

Otro concepto importante es la unidad de energía que se considera en los aceleradores: el electrón-voltio (eV) Formalmente:

Un electron volt (eV) es la energía que un electron adquiere al pasar a través de una diferencia de potencial de exactamente un volt. Usted puede imaginar que el electrón comienza en la placa negativa de un capacitor de placas paralelas y es acelerado hacia la placa positiva, la cual esta un volt arriba en términos de energia potencial. Numéricamente, un eV equivale a 1.6×10-19 joules, o bien un joule son 6.2×1018 eV.

Prof. George Lebo, Universidad de Florida

De hecho, los aceleradores de partículas se basan en el principio de hacer pasar una partícula por un campo electromagnético para que adquiera la energía de aceleración. Así que digamos que la capacidad de un acelerador de partículas se mide por eV. Para mover en electrón se necesitan aproximadamente 0,5 MeV, para mover un protón 1 Gev, … la energía que se pretende alcanzar con el último acelerador que se pondrá en marcha este verano, el LHC, será de 1 TeV.

Así pues, ¿cuál es la estructura de un acelerador de partículas? Pues tiene una fuente de partículas (que pueden ser hadrones o leptones, las primeras más pesadas que las segundas lo que implica un balance entre la exploración y la explotación), un acelerador (lineal, o circular, también llamado o sincrotrón) y un detector. El ponente puso un ejemplo a pequeña escala de un acelerador en el tubo de rayos catódicos. En este caso se trata de un pequeño acelerador lineal de electrones. Además los aceleradores pueden ser de blanco fijo o móvil (los colisionadores)

Las partículas son confinadas, aceleradas y compactadas en una trayectoria rectilínea o curvilínea mediante campos electromagnéticos en cavidades de radiofrecuencia. Las condiciones que se mantienen en los tubos de confinamiento son extremas ya que se necesitan grandes electro imanes superconductores mantenidos a 1,9 ºK (la temperatura más baja del universo) y en condiciones de vacío extremo (mayor que el vacío que existe en el espacio que nos rodea)

Una característica indeseable para las física de partículas (y práctica en otros contextos) es que las partículas en tránsito que van cambiando su dirección forzadas por el confinamiento radian fotones (i.e pierden parte de la energía que reciben) lo cual pone un límite a estos aceleradores.

Una parte importante de la presentación estuvo dedicada a los detectores. Desde los primitivos basados en cámaras de burbujas, de niebla, gas … (que se basan en la propiedad que tienen las partículas de ionizar los átomos de la materia por la que pasa dejando un rastro que se puede seguir), hasta los modernos de estado sólido (i.e tracker de silicio) utilizado en el detector CMS del LHC en el que colabora en su desarrollo el IFCA. La disposición de esos detectores y la capacidad de colocarlos con gran precisión alrededor de la zona de colisión en motivo de muchos trabajos de investigación y de importantes desarrollos en electrónica y control. Otros detectores están basados en calorímetros, que miden la energía de las partículas que detectan.

La parte más interesante para mi, que se trató muy por encima, ya que va a haber otra presentación dedicada exclusivamente a ella es la del proceso de toda la información que se recopila en los experimentos. El análisis de estos datos es la versión moderna de buscar una aguja en un pajar. Se producen 1 GB/segundo, 10 PB al año. Se emplean más de doscientos mil PCs dispuestos en una red especial de computación distribuida creada al efecto llamada GRID.

Finalmente se repasaron todas las contribuciones a la sociedad y a la tecnología de estos proyectos de investigación de física de partículas que para el profano pueden parecen un dispendio de dinero publico y de recursos humanos. Para empezar, la WWW se desarrolló en el CERN, como un medio para compartir la información sobre física de partículas que se obtenían de los experimentos en su acelerador de partículas. También el GRID será sin lugar a dudas un hito en la computación distribuida y quién sabe si cambiará también a Internet. Ya se está aplicando a otros campos como la meteorología o la simulación de reacciones nucleares o la investigación en ciencias de la vida … en realidad en todos los campos científicos que requieren un proceso ingente y distribuido de los datos. Los avances en electrónica, en sensórica, en la tecnología de frío y en los dispositivos superconductores tampoco son desdeñables.

Todos los avances en aceleradores tienen aplicación en la medicina, como por ejemplo las herramientas de radiodiagnóstico (TAC, PET, …) y en la tecnología de los alimentos (radiación para eliminar toxinas …)

En cuanto a sus beneficios sociales, la manera cooperativa en la que se han diseñado, construido y operado los últimos aceleradores, implicando a países de todo el mundo, algunos de los cuales se encuentran en conflicto, ha supuesto un gran hito para la humanidad, que tal vez se pueda extender a otros aspectos de la cooperación internacional.

Un comentario en “fronteras de la física: Instrumentos para el estudio de la estructura de la materia. Aceleradores y detectores de partículas

  1. Como siempre la información anterior es un poco general y no refleja exactamente lo acontecido en la conferencia (seguramente me he saltado cosas y se me han olvidado otras) Así que me he puesto a buscar información adicional por la red.

    He buscado información sobre particle accelerator en:

    MSN Live Search
    Google
    – SlideShare (no he encontrado nada)
    YouTube

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s