Curiosidades desde el CERN por Javier Santaolalla

En Amazings: Cuando el CERN compró vacas para tranquilizar a los miedosos
Infografía del tunel del LHC en el CERN

El CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas) es un laboratorio con más de 60 años de antigüedad. Surgió como un Consejo, promovido por la UNESCO y con el apoyo de grandes científicos (premios Nobel como De Broglie, Bohr o Rabi) con el objeto de crear un centro de investigación sin fines bélicos. Con ello se lograba también evitar el éxodo masivo de científicos hacia América causado por la guerra mundial y devolver a Europa a la cima de la investigación en física fundamental.

Actualmente el CERN es un referente en el mundo científico y un ejemplo de cooperación internacional. Durante su larga historia en él han trabajado alguno de los científicos más importantes del siglo XX (por ejemplo los premios Nobel Samuel Tim, Carlo de Rubbia, Jack Steinberger); se han producido descubrimientos que ocupan páginas importantes en la historia de la física (las corrientes neutras, los bosones electrodébiles, el bosón de Higgs, la antimateria); y se han desarrollado aplicaciones y dispositivos con gran alcance dentro (cámara de hilos, cooling estocástico) y fuera del mundo científico (pantallas táctiles o la World Wide Web). Todo ello con una filosofía que ha inspirado a varias generaciones de científicos basada en cuatro pilares básicos: estudio de las leyes fundamentales de la naturaleza, desarrollo tecnológico, cooperación internacional y la formación de los científicos del mañana.

Por todo esto y mucho más el CERN siempre ha sido reconocido como uno de los grandes centros de investigación del mundo, siempre a la vanguardia de la ciencia y la tecnología.

Hoy en día, aunque en el CERN se operan y desarrollan más de 20 experimentos de forma simultánea (en temas tan diversos como la formación estelar, búsqueda de axiones, física de los neutrinos, aplicaciones médicas, física de superconductores y criogenia, colisión de partículas o cosmología), la joya de la corona es el Gran Colisionador de Hadrones.

Como guía oficial del CERN (además de investigador) durante 4 intensos años he podido conocer los entresijos de los diferentes elementos que conforman los grandes experimentos que se desarrollan en este gran centro de investigación. De la mano de expertos líderes en sus áreas (como física de aceleradores, criogenia o superconductividad) incluso de personajes históricos en ciencia como el matrimonio Fidecaro o Benvenutti he podido conocer anécdotas y datos que he cuidadosamente recopilado. Aquí les presento alguno de los más sorprendentes, seguido de un video donde se resumen los 10 hechos más impactantes de la que fue mi “ciudad” durante 4 años, la que es hoy la capital mundial de la física de partículas, el CERN.

Organización:

* 10 mil usuarios en todo el mundo. Se estima que el 50% de los físicos de partículas del mundo trabajan directa o indirectamente para el CERN.

El LHC:

* Es un anillo de 27 km de longitud 100 metros bajo tierra que acelera protones a tremendas energías y los hace colisionar 40 millones de veces por segundo.

* ¿De donde salen los protones? Pues del hidrógeno. Cada vez que se llena el LHC se necesitan uno 10^14 protones. Y esto se hace cada 10 horas, por lo que se podría imaginar que se necesita muuuucho hidrógeno. Pues no, debido a lo grande que es el número de Avogadro (número de protones en un gramo de hidrógeno y es del orden de 10e23) con poco hidrógeno se puede. Cada vez que se llena el LHC se necesita sólo unos pocos nanogramos de hidrógeno. De hecho, una botella de gas hidrógeno de 5Kg puede usarse durante 4e9 años. Esto da lugar a un hecho muy curioso: el acelerador de donde salen los protones, el Linac, acelera 5e15 protones cada 1.2 segundos -> se estima que en los 60 años del CERN se han acelerado… ¡9.8 gramos de hidrógeno solo!

Tecnología en el LHC:

* Los protones se aceleran con potentes campos eléctricos (cavidades de radiofrecuencia) y se curvan con potentes campos magnéticos (imanes superconductores).

* aceleración: La aceleración en el LHC tarda unos 20 minutos. Pero lo que es acelerar… no ocurre en los 27 km del anillo. Como acelerador solo hay 30 metros, el resto de los 27 km es para que las partículas vuelvan a pasar por las cavidades.

* campo magnético: El campo magnético de cada uno de los 1232 dipolos (imanes) del LHC es de 8.3 Tesla (60 mil veces mayor que el campo magnético de la Tierra). Los imanes que se usan son de 15 m de longitud y 35 toneladas de peso. No son muy grandes de sección, casi pueden abrazarse.

* se necesitan corrientes de 11800 A para crear esos 8.3 T (una casa normal consume unos 100 A). En un cable normal eso no se puede, se fundiría por la resistencia a la conductividad (Joule). Por eso se usan cables superconductores (si no se usaran cables superconductores el máximo que se podría conseguir es de 1.8 T y el consumo de energía sería 25 veces mayor)

Física del LHC:

* Aunque la energía de un protón suena como algo enorme (actualente 6.5 TeV), no lo es tanto si lo comparas con algo corriente. (puedes hacer tú mismo la conversión eV a Julio, es algo como 10e-19). Tiene la misma energía que un mosquito de 2 mg volando a 40cm/s. El éxito del experimento reside en que esa energía está concentrada en algo un millón de millones de veces mas pequeño.

* Por la relatividad (a altas velocidades la masa aumenta y el tiempo se contrae) los protones pesan 7000 veces más de lo que pesan si están parados. Para que te hagas una idea, una persona de 75 kg, si viajara a esa velocidad pesaría más de 500 toneladas, como el avión mas pesado del mundo. Tambien el tiempo pasa más despacio. El protón está viajando al futuro cuando entra en el aceleardor. Sin esta contracción temporal (más que demostrada) no se podría entender la llegada de muones a la Tierra (se desintegran en 2,2 microsegundos, hagan la cuenta para que vean que pasan de las primeras capas de la atmósfera).

Detección en el LHC:

* Los protones chocan 40 millones de veces por segundo en 4 máquinas dispuestas en diferentes puntos del anillo. Son los detectores de partículas.

Cada detector está formado por unos 100 millones de canales de lectura que dan lugar a una foto (un selfie realmente) equivalente al de una cámara de 6 Mpx. Lo que una cámara muy rápida porque toma 40 millones de fotos por segundo.

Computación:

* Obviamente uno de los retos del LHC es la computación. Se generan unos 40 TB por segundo, imposible de almacenar. Después del mencionado filtrado, los 700 MB por segundo que generan los exerimentos producen un total de 15 PB al año. Estos son unos 20 millones de CDs, que si se apilan (sin caja) da una columna de 20 km de alto (más que el Everest). En la historia del CERN se han almacenado 100 PB. La información del LHC en un año es mayor que la de todos los vídeos subidos a youtube en un año.


4 Comentarios

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PabloPablo

Muy buen post! Estos datos acercan la realidad del CERN al resto de los mortales. Oímos hablar del CERN y el LHC en las noticias pero en pocas ocasiones tenemos oportunidad de valorar la dedicación de todas estas personas y los retos que se han ido superando simplemente para hacer funcionar el LHC y todo el despliegue de instrumentos y sistemas que se utilizan. Me gustó mucho el documental “Locos por las partículas”.

Felicitaciones por haber tenido la posibilidad de trabajar allí y gracias por compartirlo.

Saludos,
PABLO

AlejandroAlejandro

Excelente post. Me gustaria preguntar una cosilla. Por lo que tengo entendido la noción de masa relativista es un poco desafortunada y por así decirlo se está intentando abandonar y sustituirla por la de masa invariante Lorentz. En ese caso ¿Es correcto seguir diciendo eso de que la masa aumenta cuando la velocidad de la partícula se acerca a la de la luz?
¿Como podríamos expresarlo mejor de acuerdo a que la masa es invariante Lorentz? ¿Como explicamos a un alumno que necesitamos más energia para acelerar la partícula?

GermánGermán

Genial el artículo!

¿Pero cuando dices “el resto de los 27 km es para que las partículas vuelvan a pasar por las cavidades”, qué sentido tiene esto? Es decir, por qué se hacen pasar por las “cavidades”? Son las cavidades los lugares en donde están los detectores de experimentos?

Gracias.

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