Hablo de relatividad, aceleradores y miniagujeros negros en Ciencia para escuchar

"Continuando con los programas destinados a celebrar el Centenario de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, hoy hemos invitado a Germán Fernández Sánchez, doctor en Ciencias Físicas, colaborador de CienciaEs.com y antiguo investigador en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). Hablamos con él de aceleradores de partículas, de relatividad y de un tema que ha despertado ciertos temores, la posibilidad de que se creen mini agujeros negros en el LHC..."

Sigue leyendo y escucha el podcast en Hablando con científicos

El poderoso influjo de la Luna

Las mareas no son un fenómeno exclusivo de los océanos. También afectan a la tierra firme. Aunque en menor medida que el agua de los océanos, la corteza terrestre se mueve debido a la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol.

Las oscilaciones provocadas por las mareas en la tierra firme pueden alcanzar hasta 55 centímetros en el Ecuador. En la vida diaria, es un fenómeno imperceptible, sobre todo porque, a diferencia de lo que ocurre con las mareas del océano, no tenemos un punto de referencia con respecto al que medirlo. Pero el efecto es importante; se ha comprobado que las mareas terrestres afectan a la velocidad de rotación de la Tierra y a su campo magnético, y recientemente se ha descubierto que se producen más terremotos con marea terrestre alta que con marea baja.

Los movimientos de las mareas terrestres son lo suficientemente grandes para ser detectados por los GPS; la calibración de estos aparatos tiene que tener en cuenta ese efecto. También afecta a los grandes aceleradores de partículas; por ejemplo, la deformación causada por las mareas terrestres en el acelerador LEP del CERN, un anillo subterráneo de 27 kilómetros de diámetro, provocaba una variación en la energía de los electrones acelerados de 220 partes por millón, que debía ser tenida en cuenta para que los resultados tuvieran la precisión requerida.

Otro campo en el que es importante el efecto de las mareas terrestres es la interferometría de muy larga base, que consiste en la observación simultánea de un objeto celeste con un gran número de radiotelescopios situados en distintos lugares del mundo. La interferometría de muy larga base permite conseguir una resolución equivalente a la que se obtendría con un radiotelescopio gigantesco, cuyo tamaño sería igual a la distancia máxima entre los observatorios participantes. Pero para ello es necesario conocer con gran precisión la posición de cada uno de ellos, y esa posición se ve afectada por las mareas.

El LHC bate el récord de energía

Anoche, a las 0:44, en el LHC del CERN, en Ginebra, circularon los haces de partículas más energéticos de la historia. Los protones, inyectados en el acelerador con una energía de 450 GeV. fueron acelerados hasta 1,18 TeV, un 20% más que el récord anterior, alcanzado en el Tevatrón, un acelerador del laboratorio Fermilab, en los Estados Unidos.

Un electronvoltio (eV) es la energía cinética que adquiere un electrón al ser acelerado en el vacío por una diferencia de potencial de un voltio, y equivale a 1,6 x 10^-19 Julios, o 3,8 trillonésimas de caloría. Un gigaelectronvoltio (GeV) son mil millones de electronvoltios, y un teraelectronvoltio (TeV) es un billón de electronvoltios.

El Sincrotrón de Protones del CERN cumple 50 años

Copyright © EPSIM 3D/JF Santarelli,
Synchrotron Soleil

Pasado mañana, 24 de noviembre, se cumplen 50 años de la entrada en funcionamiento del Sincrotrón de Protones (PS), el primer sincrotrón del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN). El PS es un acelerador circular con una circunferencia de 628.3 metros, y está equipado con 277 imanes. Con un haz de protones de 28 GeV de energía, durante un breve periodo de tiempo fue el acelerador más potente del mundo. A lo largo de los años ha sufrido modificaciones que han multiplicado por mil la intensidad de su haz de protones, y se ha convertido en el acelerador más versátil del mundo: Si en sus primeros años suministraba protones directamente a los experimentos, desde entonces ha servido como etapa intermedia de aceleración para los Anillos Entrelazados de Almacenamiento (ISR), el Super Sincrotrón de Protones (SPS), el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) y el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Además de protones, el PS ha acelerado a lo largo de su historia partículas alfa (núcleos de helio), núcleos de oxígeno, azufre y plomo, electrones, positrones y antiprotones.

En un acelerador circular de partículas se emplean campos magnéticos para curvar la trayectoria de las partículas a lo largo del círculo, y campos eléctricos para acelerarlas. Mientras que en un ciclotrón tanto los campos magnéticos como los eléctricos son constantes, y en un sincrociclotrón sólo varía uno de ellos, en un sincrotrón ambos campos están sincronizados con el movimiento del haz de partículas, de manera que, a medida que la energía de éstas aumenta, las intensidades de los campos se incrementan para mantener constante la trayectoria de las partículas.

Feliz cumpleaños, doctor Rubbia

Hoy cumple 75 años el físico italiano Carlo Rubbia, nacido en Gorizia el 31 de marzo de 1934. En 1957 se licenció en Física en la Escuela Normal Superior de Pisa; en 1958 entró como investigador en la Universidad de Columbia (EE.UU.). Fue profesor en la Universidad de Harvard de 1971 a 1988 y director del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) entre 1989 y 1993. Actualmente es profesor de Física en la Universidad de Pavía. Es miembro de la Academia Pontificia de las Ciencias, oficial de la Legión de Honor francesa y caballero de la Gran Cruz italiana.

En 1960 comenzó a trabajar en el CERN. En 1976, junto con David Cline y Peter McIntyre, propuso la modificación del Super Sincrotón de Protones (SPS) del CERN para introducir simultáneamente haces de protones y de antiprotones y hacerlos chocar entre sí, lo que se convirtió en una realidad en 1981. Como líder del experimento UA1 en el mejorado acelerador descubrió en 1983 las partículas W y Z, mediadoras en las interacciones nucleares débiles (relacionadas con la radioactividad) de la misma manera que el fotón es el mediador de las interacciones electromagnéticas. Por ese descubrimiento recibió en 1984 el Premio Nobel de Física, compartido con el físico neerlandés Simon van der Meer, que desarrolló gran parte de las técnicas necesarias para el funcionamiento del nuevo acelerador.

En 1993 inventó el amplificador de energía, un revolucionario sistema de generación de energía nuclear basado en el uso de aceleradores de partículas, del que hablaré más extensamente otro día

El mayor aparato jamás construido

(Publicado originalmente en Madrid Sindical)

Este verano, si las reparaciones marchan según lo previsto, se volverá a poner en marcha el mayor aparato jamás construido por el ser humano: el acelerador de partículas LHC (en inglés Large Hadron Collider, o sea, Gran Colisionador de Hadrones), situado en la frontera franco-suiza.

A una escala más reducida, todos tenemos un acelerador de partículas en casa, o lo hemos tenido hasta hace bien poco: el tubo de rayos catódicos de los televisores clásicos. Con la diferencia fundamental de que en el televisor se aceleran electrones para desparramarlos (con un cierto orden) por la pantalla, mientras que en los aceleradores científicos el principal quebradero de cabeza es precisamente evitar que las partículas aceleradas se desparramen.

Un acelerador sólo puede manejar partículas con carga eléctrica, como electrones, protones o átomos ionizados: su funcionamiento se basa en la denominada fuerza de Lorenz, que es la que ejerce un campo electromagnético sobre una carga o corriente eléctrica: un campo eléctrico acelera una carga longitudinalmente, mientras que un campo magnético curva su trayectoria.

Para acelerar partículas, lo primero que hay que hacer es generarlas. Los electrones se extraen de los átomos simplemente calentando un filamento; otras partículas como positrones, protones e iones requieren el uso de láseres o de haces de electrones previamente acelerados que, chocando contra un blanco determinado, logran extraerlas.

Una vez generadas, las partículas tienen la fastidiosa tendencia de volver a reaccionar con la materia que las rodea, así que es necesario alejarlas del lugar de generación y mantenerlas en el vacío. Para mover las partículas se emplean campos eléctricos, cuya fuerza de Lorenz es longitudinal, o sea, que las empujan y aceleran; y campos magnéticos, que ejercen fuerzas transversales y sirven para curvar su trayectoria y, al igual que las lentes de vidrio hacen con la luz, para enfocarlas. Todo esto, dentro de tubos al vacío donde se mantienen los haces de partículas hasta que alcanzan la energía deseada y se los hace chocar, bien entre sí o bien contra un blanco, para estudiar las reacciones que se producen; como, según Einstein, E=mc², cuanta más energía lleven las partículas, esto es, cuanto más rápido vayan, mayor puede ser la masa de las partículas generadas en la reacción.

El objetivo del acelerador de partículas LHC es investigar las fuerzas básicas de la Naturaleza y en concreto estudiar las interacciones entre protones a unas energías nunca antes alcanzadas. A esas energías, las teorías actualmente aceptadas postulan la aparición del bosón de Higgs, que ha sido denominado partícula de Dios porque es la única explicación para la masa de las partículas dentro del actual Modelo Estándar. También a esas energías se ha postulado la detección de las llamadas partículas supersimétricas, uno de los candidatos para explicar la materia oscura del Universo.

El coste del LHC es de dos mil millones de euros a lo largo de más de 10 años. Es decir, no representa ni siquiera 1 euro por europeo al año. Eso sin contar con que el esfuerzo en I+D que hay que hacer para desarrollar el acelerador revierte en infinidad de campos: desarrollo de métodos de medición ultraprecisos, sistemas de imagen que pueden aplicarse a la medicina, ultrarrefrigeración, imanes superconductores, nuevos materiales, computación masiva, etc.

¿Qué es un acelerador de partículas?

Un acelerador de partículas es un aparato que, mediante el uso de campos electromagnéticos, es capaz de aumentar la velocidad de partículas eléctricamente cargadas. Sus principales usos son la obtención de imágenes, la irradiación de tumores en medicina y el estudio científico de materiales y de las fuerzas básicas de la Naturaleza. En física de partículas, la construcción de aceleradores cada vez más potentes está motivada por la necesidad de obtener mayores energías, que, de acuerdo con la equivalencia entre masa y energía enunciada por Einstein (E=mc²), permiten la generación de nuevas partículas de mayor masa en las reacciones que se producen al hacer chocar entre sí las partículas aceleradas.