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LHC: ¡Las partículas están de vuelta en el LHC!
ESTADO DEL ENFRIAMIENTO EN EL LHC
EL Gran Colisionador de Hadrones
INDICE
El Gran Colisionador de Hadrones
EL Gran Colisionador de Hadrones
Nuestra comprensión del Universo está a punto de cambiar …
El Gran Colisionador de Hadrones LHC (Large Hadron Collider) es un gigantesco instrumento científico cerca de Ginebra, que se extiende en la frontera entre Suiza y Francia a unos 100 m bajo tierra. Se trata de un acelerador de partículas utilizado por los físicos para estudiar las partículas más pequeñas conocidas – los bloques fundamentales de todas las cosas. Revolucionará nuestra comprensión, desde el minúsculo y profundo mundo de los átomos hasta la inmensidad del Universo.
Dos haces de partículas subatómicas llamada ‘hadrones “- ya sea protones o iones de plomo – viajarán en direcciones opuestas en el interior del acelerador circular, ganando energía con cada vuelta. Los físicos utilizaran el LHC para recrear las condiciones justo después del Big Bang, colisionando frontalmente los dos haces -a muy alta energía. Equipos de físicos de todo el mundo van analizar las partículas creadas en las colisiones empleando detectores especiales en una serie de experimentos dedicados del LHC.
Hay muchas teorías sobre lo que dará como resultado de estas colisiones, pero lo que es seguro es que un valiente nuevo mundo de la física emergerá del nuevo acelerador, ya que los conocimientos en física de partículas van en el sentido de describir el funcionamiento del Universo. Durante décadas, el Modelo Estándar de la física de partículas ha servido a los físicos como un medio de entendimiento de las leyes fundamentales de la Naturaleza, pero no cuenta toda la historia. Sólo los datos experimentales utilizando las más altas energías alcanzadas por el LHC puede conducir hacia adelante el conocimiento, desafiando a quienes buscan la confirmación del conocimiento establecido y aquellos que se atreven a soñar más allá del paradigma.
Porque el LHC
Unas pocas preguntas no contestadas…
El LHC se construyó para ayudar a los científicos para responder a las preguntas sin responder de la física de partículas. ¡Una energía que alcanza lo sin precedentes puede incluso revelar algunos resultados inesperados que nadie ha imaginado!
En los últimos decenios, los físicos han sido capaces de describir con creciente detalle las partículas fundamentales que componen el Universo y las interacciones entre ellos. Este entendimiento está encapsula en el Modelo Estándar de la física de las partículas, pero contiene lagunas y no nos cuenta toda la historia. Para completar el conocimiento se requieren datos experimentales, y el próximo gran paso para lograrlo es con LHC.
Los asuntos de Newton no terminados…
¿Que es masa?
¿Cual es el origen de la masa? ¿Por qué las partículas pequeñas pesan la cantidad que han de pesar? ¿Por qué algunas partículas no tienen masa en absoluto? En la actualidad, no hay respuestas establecidas a estas preguntas. La explicación más probable se puede encontrar en el bosón de Higgs, una partícula clave sin descubrir que es esencial para que el Modelo Estándar funcione. Como hipótesis por primera vez en 1964, aún tiene que ser observado.
Los experimentos ATLAS y CMS estarán activamente en búsqueda de signos de esta elusiva partícula.
Un problema invisible…
¿De que está hecho el 96% de universo?
Todo lo que vemos en el Universo, desde una hormiga a una galaxia, se compone de partículas ordinarias. Estas son denominadas colectivamente materia, formando el 4% del Universo. La Materia Oscura y Energía Oscura oscura se cree que componen la proporción restante, pero son increíblemente difíciles de detectar y estudiar, más allá de las fuerzas gravitacionales que ejercen. Investigar la naturaleza de la materia oscura y energía oscura es uno de los mayores retos de hoy en los campos de la física de partículas y cosmología.
Los experimentos ATLAS y CMS buscaran las partículas súper simétricas a fin de probar una hipótesis probable de la composición de la materia oscura.
Favoritismo de la naturaleza…
¿Porque no hay más anti materia?
Vivimos en un mundo de la materia – todo el Universo, incluidos nosotros mismos, está hecho de materia. La Antimateria es como una versión gemela de la materia, pero con carga eléctrica opuesta. En el nacimiento del Universo, cantidades iguales de materia y antimateria deberían haber sido producidas en el Big Bang. Pero cuando las partículas de materia y anti materia se juntan, se aniquilan una a otra í, transformándose en energía. De alguna manera, una pequeña fracción de la materia debe haber sobrevivido para formar el Universo en que vivimos hoy, con casi ningún rastro de antimateria. ¿Por qué la Naturaleza parece tener sesgo en este asunto, al inclinarse por más materia que antimateria?
El experimento LHCb será en busca de diferencias entre materia y antimateria para ayudar a responder a esta pregunta. Anteriores experimentos ya han observado una pequeña diferencia de comportamiento, pero lo que se ha visto hasta ahora casi no es suficiente para tener en cuenta la cuestión de aparente desequilibrio antimateria en el Universo.
El experimento LHCb buscará las diferencias entre materia y anti materia para ayudar a responder esta pregunta. Experimentos previos han ya observado una tenue diferencia de comportamiento, pero lo que parece haber llegado tan lejos no es ni cercanamente suficiente en la cuenta del desbalance entre materia y anti materia del Universo.
Secretos del Big Bang.
¿Que parecía la materia en los primeros segundos de vida del universo?
Materia, de la que todo en el Universo esta hecho, se cree que se originó a partir de un densa y caliente cóctel de partículas fundamentales. Hoy en día, la materia ordinaria del Universo está hecha de átomos, que contienen un núcleo compuesto por protones y neutrones, las que a su vez están hechas de quarks unidos por otras partículas llamado gluones. El vínculo es muy fuerte, pero en las condiciones primeras del Universo este habría sido demasiado caliente y enérgico para que los gluones mantuvieran juntos a los quarks. En lugar de ello, parece probable que durante los primeros microsegundos después del Big Bang el Universo habría contenido una mezcla muy caliente y densa de quarks y gluones llamado plasma quark-gluon.
El experimento ALICE usará el LHC para recrear condiciones similares a aquellas justo después del Big Bang, en particular para analizar las propiedades del plasma quark-gluon.
Mundos escondidos…
¿Realmente existen extra dimensiones en el espacio?
Einstein demostró que las tres dimensiones del espacio están relacionadas con el tiempo. Subsecuentes teorías proponen que ulteriores dimensiones escondidas del espacio pueden existir; por ejemplo, la teoría de las cuerdas implica que hay dimensiones espaciales adicionales a ser aún observadas. Esto puede llegar a ser detectable a muy altas energías, así los datos de los detectores serán cuidadosamente mirados para encontrar signos de dimensiones extras.
Como trabaja el LHC
El LHC, EL más grande del mundo y más poderoso acelerador de partículas, es la última incorporación al complejo acelerador del CERN. Principalmente consiste en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores con una cantidad de estructuras aceleradoras para impulsar la energía de las partículas a lo largo del camino.
Al interior del acelerador, dos haces de partículas viajan cerca de la velocidad de la luz con muy altas energía antes de colisionara una con otra. Los haces viajan en direcciones opuestas en tubos separados- dos tubos mantenidos a ultra vacío. Son guidados alrededor del anillo acelerador por medio de un fuerte campo magnético logrado usando electro magnetos superconductores. Estos son construidos de bobinas de un cable eléctrico especial que opera en un estado de superconducción, conduciendo electricidad de manera eficiente sin resistencia o pérdida de energía. Esto requiere la refrigeración de los imanes a unos – 271 ° C – ¡una temperatura más fría que el espacio ultraterrestre! Por esta razón, gran parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría los imanes, así como a otros servicios de abastecimiento.
Miles de imanes de diferentes variedades y tamaños se utilizan para dirigir los haces a través de todo el acelerador. Estos incluyen 1232 imanes dipolo de 15 m de longitud que se utilizan para desviar los haces, y 392 imanes cuadripolares, cada uno de 5-7 m de largo, para enfocar los haces. Justo antes de la colisión, otro tipo de imán se utiliza para “apretar” las partículas entre sí para incrementar las posibilidades de colisiones. ¡Las partículas son tan diminutas que la tarea de hacerlos chocar se asemeja a disparar agujas desde dos posiciones 10 km con tal precisión que se encuentran a medio camino!
Todos los controles para el acelerador, su infraestructura técnica y de servicios se encuentran ubicados bajo un mismo techo en el Centro de Control CERN. A partir de aquí, Los haces en el interior del LHC se harán chocar en cuatro lugares alrededor del anillo del acelerador, lo que corresponde a las posiciones de los detectores de partículas.
Como trabaja un acelerador
Los aceleradores fueron inventados para proporcionar partículas energéticas con el fin de investigar la estructura del núcleo atómico. Desde entonces, se han utilizado para investigar muchos aspectos de la física de partículas. Su tarea es acelerar y aumentar la energía de un haz de partículas mediante la generación de campos eléctricos que aceleran las partículas, campos magnéticos que las dirigen y enfocan.
Un acelerador viene ya sea en forma de un anillo (acelerador circular), donde un haz de partículas viaja varias veces alrededor de un bucle, o en una línea recta (acelerador lineal), donde el haz se desplaza de un extremo al otro. Una serie de aceleradores pueden ser unidos en secuencia para alcanzar sucesivamente mayores energías, como en el complejo acelerador en el CERN.
Los principales componentes de un acelerador incluyen:
- Cavidades radiofrecuencia (RF) y campos eléctricos – estos proporcionan aceleración a un haz de partículas. Las cavidades RF se encuentran localizadas intermitentemente a lo largo del haz de tuberías. Cada vez que un rayo pasa a través del campo eléctrico en una cavidad de RF, una parte de la energía de las ondas de radio se transfiere a las partículas.
- Cámara de vacío – esto es un tubo metálico (conocido también como el tubo del haz: beam pipe) dentro dl cual un haz de partículas de viaja. Es mantenido en ultra vacío para reducir al mínimo la cantidad de gas presente a fin de evitar colisiones entre moléculas de gas y las partículas en el haz.
-
Imanes – diversos tipos de imanes se utilizan para servir a diferentes funciones. Por ejemplo, los imanes dipolares se suelen utilizar para doblar el camino de un haz de partículas que de otra forma de viaje sería en línea recta. Cuanta más energía tiene una partícula, mayor es el campo magnético necesario para doblar su camino. Los imanes cuadripolares se utilizan para enfocar un haz, la recolección de todas las partículas entre sí (similar a la manera en que los lentes se usan para centrar un haz de luz).
La Colisiones en un acelerador pueden ocurrir ya sea contra un blanco fijo, o entre dos haces de partículas. Los Detectores de Partículas son colocados alrededor del punto de colisión para grabara y revelar las partículas que emergen de la colisión.
Un acelerador en casa.
Un tubo de rayos catódicos (CRT o TRC ) de un Televisor tiene las Características Básicas de los aceleradores del CERN. Un filamento de vidrio en el interior del tubo de vacío de la televisión actúa como una fuente de Partículas. Cuando el filamento se calienta, los electrones son puestos en libertad por el aumento de la energía. Los electrones son acelerados y guiaremos a través del vacío del TRC por un campo electromagnético, generado por una BOBINA de cables. La pantalla de televisión actúa como un detector de Partículas. En la medida que los electrones de alta energía golpean la parte TRASERA de la pantalla, se detectan y se hacen visibles en el color de píxeles que componen la imagen.
El complejo acelerador
El complejo acelerador del CERN es una sucesión de aceleradores de partículas que pueden alcanzar cada vez mayores energías. Cada acelerador aumenta la velocidad de un haz de partículas, antes de la inyección en la siguiente en la secuencia.
El complejo también incluye el Des aceleradores Antiprotones y la instalación ISOLDE y alimentaciones al proyecto GCN y la zona de ensayo CLIC (CTF3).
Una jornada de protones a la máxima aceleración
Los protones se obtienen mediante la remoción de electrones de los átomos de hidrógeno. Ellos se inyectan del acelerador lineal (LINAC2) en el PS Booster, el Sincrotrón de Protones (PS), seguido por el Súper Sincrotrón de Protones (SPS), antes de finalmente llegar al Gran Colisionador de Hadrones (LHC: Large Hadron Collider). Los protones circularán en el LHC durante 20 minutos antes de llegar a la máxima velocidad y la energía.
Los iones de plomo para el LHC parten de una fuente de plomo vaporizado y entran al LINAC3 para después ser recogidos y acelerados en el Anillo de Iones de Baja Energía (LEIR: Low Energy Ion Ring). Luego siguen el mismo camino hacia la máxima aceleración como los protones.
El centro de control
El centro de control CERN combina todas las salas de control para el laboratorio de 8 aceleradores, los sistemas de distribución criogénica y la infraestructura técnica.
Hay 39 estaciones de operación de 4 áreas diferentes – el Gran Colisionador de Hadrones (LHC: Large Hadron Collider), el Súper Sincrotrón Protón, el complejo Sincrotrón de Protones y la infraestructura técnica. Puede acoger hasta a 13 operadores, cada uno de ellos asistido por un equipo de expertos.
Como trabaja un detector
El trabajo de un detector de partículas es para grabar y visualizar las explosiones de partículas que resultan de las colisiones en los aceleradores. La información obtenida de la velocidad, masa y carga eléctrica de una partícula ayuda a los físicos a elaborar la identidad de la partícula.
El trabajo que los físicos de partículas hacen para identificar una partícula que ha pasado por un detector es similar a la manera en que alguien estudiaría las pistas de huellas dejadas por los animales en el barro o la nieve. En el caso de las huellas de animales, factores como el tamaño y la forma de las marcas, la longitud de zancada, patrón general, dirección y profundidad de las huellas, puede revelar el tipo de animal que ha pasado antes. De forma similar las partículas dejan signos del cuento a descifrar por los físicos en los detectores.
Los aparatos modernos de física de partículas se componen de capas de sub-detectores, cada uno especializado en un tipo particular de partículas o propiedad. Hay 3 tipos principales de sub-detectores:
- Dispositivo de seguimiento – detectas y revela la trayectoria de la partícula
- Calorímetro - detiene, absorbe y mide la energía de la partícula.
- Detector de identificación de partícula - Identifica el tipo de partícula usando varias técnicas.
Para ayudar a identificar las partículas producidas en las colisiones, el detector suele incluir un campo magnético. Una partícula normalmente viaja en línea recta, pero en presencia de un campo magnético, su camino es desviado en una curva. A partir de la curvatura de la trayectoria, los físicos pueden calcular la cantidad de movimiento de las partículas lo que ayuda a identificar su tipo. Las partículas de gran cantidad de movimiento viajan casi todas en línea recta, mientras que aquellas con un baja cantidad de movimiento avanzar en espirales apretadas.
Dispositivos de seguimiento
La mayoría de los dispositivos de seguimiento no hacen las pistas de partículas directamente visibles. En lugar de ello, producen diminutas señales eléctricas que se pueden grabar como datos informáticos. Un programa de ordenador reconstruye entonces los patrones de pistas registrados por el detector, y las muestra en una pantalla.
Se puede registrar la curvatura de la pista de una partícula (en presencia de un campo magnético), a partir de la cual el a de una partícula puede ser calculado. Esto es útil para la identificación de la partícula.
Las cámaras muónes son dispositivos de seguimiento utilizados para detectar muones. Estas partículas interactúan muy poco con la materia y pueden viajar grandes distancias a través de metros de material denso. Al igual que un fantasma caminando a través de una pared, los muones pueden pasar a través de sucesivas capas de un detector. Las cámaras muones cámaras por lo general constituyen la capa ultra periférica.
Calorímetros
Un calorímetro mide energía perdida pro una partícula que pasa a través de él. Es por lo general diseñado para detener por completo o “absorber” la mayoría de las partículas provenientes de una colisión, lo que las obliga a depositar toda su energía en el interior del detector.
Los calorímetros normalmente consisten en capas “pasivas” o “absorbentes” de material de alta densidad (plomo por ejemplo) intercalados con capas de medio “activo” medio, como vidrios de plomo sólidos o el argón líquido.
Los calorímetros electromagnéticos miden la energía de las partículas de luz – electrones y fotones – mientras interactúan con las partículas cargadas eléctricamente al interior de la materia
Los calorímetros hadrónicos muestrean la energía de los harones (partículas que contienen quarks, tales como los protones y los neutrones), mientras interactúan con el núcleo atómico.
Los calorímetros puede detener la mayoría de las partículas conocidas, salvo muones y neutrinos.
Detectores de identificación de partículas.
Dos métodos de identificación de partículas trabajan para de detectar la radiación emitida por las partículas cargadas:
- Radiación Cherenkov: esta es la luz emitida cuando una partícula cargada viaja más rápido que la velocidad de la luz a través de un determinado medio. La luz es emitida en un ángulo específico de acuerdo a la velocidad de la partícula. En combinación con una medición de la cantidad de movimiento de la partícula la velocidad puede ser usado para determinar la masa y, por tanto, para identificar las partículas.
-
Radiación de transición: esta radiación es producida por una partícula rápida cargada al cruzar la frontera entre dos aisladores eléctricos con diferentes resistencias a las corrientes eléctricas. El fenómeno está relacionado con la energía de una partícula y distingue diferentes tipos de partículas
Los experimentos LHC
Los seis experimentos en el LHC funcionan todos por colaboraciones internacionales, que reúne a científicos de institutos de todo el mundo. Cada experiencia es distinta, caracterizada por su singular detector de partículas.
Los dos grandes experimentos, ATLAS y CMS, se basan detectores de propósito general para analizar la miríada de partículas producidas por las colisiones en el acelerador. Han sido diseñados para investigar rango más amplio de la física posible. El tener dos detectores diseñados independientemente es vital para la confirmación cruzada de cualquier nuevo descubrimiento realizado.
Dos experimentos de tamaño mediano, ALICE y LHCb, tiene detectores especializados para analizar el LHC colisiones en relación con fenómenos específicos.
Los dos experimentos, TOTEM y LHCf, son mucho más pequeños en tamaño. Están diseñadas para enfocar «las partículas delanteras” (protones o iones pesados). Estas son las partículas que peinan las otras mientras el haz colisiona, en lugar de encontrarse frontalmente
Los detectores ATLAS, CMS, ALICE y LHCb se instalan en cuatro enormes cavernas subterráneas situadas alrededor del anillo del LHC. Los detectores utilizados por el experimento TOTEM se colocan cerca del detector CMS, mientras que los utilizados por LHCf están cerca del detector ATLAS.
ATLAS
A Toroidal LHC ApparatuS (Un Aparato Toroidal LHC)
ATLAS es uno de los dos detectores de propósito general en el LHC. Se investigarán una amplia gama de la física, incluida la búsqueda del bosón de Higgs, dimensiones adicionales, y las partículas que podrían constituir la materia oscura
Con los mismos objetivos en la física que el CMS, ATLAS registrará similar conjunto de mediciones en las partículas creadas a partir de las colisiones – su trayectorias, energías, y sus identidades. Sin embargo, los dos experimentos han adoptado soluciones técnicas y diseños radicalmente diferentes en sus sistemas magnetos para detectores.
La principal característica del detector ATLAS es su sistema magnético en forma de enorme rosquilla. Este consta de ocho bobinas de imán superconductoras de 25 m de largo, organizado para formar un cilindro alrededor del haz a través del centro del detector. Durante la operación, el campo magnético está contenido en el espacio central cilíndrico definido por las bobinas.
Más de 1.700 científicos de 159 institutos en 37 países trabajan en el experimento ATLAS (marzo de 2006).
Detector ATLAS
- Talla: 46 m largo, 25 m alto and 25 m ancho. El detector ATLAS es el más grande volumen detector de partículas jamás construido.
- Peso : 7000 toneladas
- Diseño: barril más tapas
- Localización: Meyrin, Suiza.
CMS
Compact Muon Solenoid (Solenoide Compacto Muon)
El experimento CMS utiliza un detector de propósito general para investigar una amplia gama de física, incluida la búsqueda de la bosón de Higgs, dimensiones adicionales, y las partículas que podrían constituir la materia oscura. A pesar de que tiene los mismos objetivos científicos como el experimento ATLAS, utiliza diferentes soluciones técnicas y diseño de su sistema detector de imán para la realización de estos.
El detector CMS se articula en torno a un gran solenoide de imán. Esto toma la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo magnético de 4 teslas, unas 100.000 veces mayor que la de la Tierra. El campo magnético es confinado por un “yugo” de acero que constituye la parte principal del detector de peso de 12 500 toneladas. Una característica inusual del detector CMS es que en lugar de ser construido in-situ metro, al igual que los detectores otros gigantes del experimento LHC experimentos, se construyó en la superficie, antes de ser bajado bajo tierra en 15 secciones, y remontado.
Más de 2000 científicos colaboran en la CMS, procedentes de 155 institutos en 37 países (de octubre de 2006).
Detector CMS
- Talla: 21 m largo, 15 m ancho y 15 m alto.
- Peso : 12 500 toneladas
- Diseño: barril más tapas
- Localización: Cessy, France. Vea el CMS en Google Earth.
ALICE
A Large Ion Collider Experiment (Un Gran Experimento Colisionador de Iones)
Para el experimento ALICE, el LHC se chocan iones de plomo a recrear las condiciones justo después del Big Bang en condiciones de laboratorio. Los datos obtenidos permitirán a los físicos para estudiar el estado de materia conocido como plasma quark gluon, que se cree ha existido inmediatamente después del Big Bang
Toda materia ordinaria en el actual Universo está compuesta de átomos. Cada átomo contiene un núcleo compuesto por protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Protones y neutrones están a su vez compuestos de quarks que están unidos por otras partículas llamado gluones. Este increíblemente fuerte lazo hace que gluones aislados de quarks nunca han sido encontrados.
Las colisiones en el LHC generarán temperaturas 100. 000 veces más caliente que el corazón del Sol. Físicos esperan de que bajo estas condiciones, los protones y neutrones se “derriten”, liberando los quarks de sus lazos con la gluones. Esto debería crear un estado de la materia llamado quark-gluon plasma, que probablemente existía justo después del Big Bang, cuando el Universo era aún muy caliente. La colaboración ALICE planea estudiar el quark-gluon plasma, mientras se expande y se enfría, observando la forma en que se da lugar progresivamente a las partículas que constituyen la materia de nuestro universo hoy
Una colaboración de más de 1000 científicos de 94 institutos en 28 países trabaja en el experimento ALICE (marzo de 2006).
LHCb
Large Hadron Collider beauty ( Gran Colisionador Hadron, belleza )
El experimento LHCb nos ayudará a entender por qué vivimos en un Universo que parece estar compuesto casi en su totalidad de la materia, pero no antimateria.
Se especializa en la investigación de las ligeras diferencias entre materia y antimateria mediante el estudio de un tipo de partícula denominada la «belleza quark ‘, o’ b quark ‘.
En lugar de envolver completamente todo el punto de colisión con un detector adjunto, el experimento LHCb utiliza una serie de sub-detectores para detectar partículas principalmente las delanteras. El primer sub-detector está montado cerca del punto de colisión, mientras que los siguientes se mantienen uno tras otro a lo largo de una longitud de 20 m.
Una abundancia de diferentes tipos de quark será creado por el LHC antes de que decaigan rápidamente en otras formas. Para la captura de quarks b, LHCb ha desarrollado sofisticados detectores de seguimiento cercanos a la ruta del trayecto de los haces en círculos en el LHC.
La colaboración LHCb comprende 650 científicos de 48 institutos en 13 países (abril de 2006).
Detector LHCb
- Talla: 21m largo, 10m alto and 13m ancho
- Peso: 5600 toneladas
- Diseño: forward espectrómetro delantero con detectores planares.
- Localización: Ferney-Voltaire, France.
El paquete estándar
Las teorías y descubrimientos de miles de físicos durante el siglo pasado han dado lugar a un notable conocimiento de la estructura fundamental de la materia: se ha encontrado que cada cosa en Universo está hecha de doce bloques de construcción básicos llamados partículas fundamentales, gobernadas por cuatro fuerzas fundamentales. Nuestra mejor comprensión de cómo estas doce partículas y tres de las fuerzas que están relacionados unos con otros se encapsula en el Modelo Estándar de partículas y fuerzas. Desarrollado a comienzos del decenio de 1970, ha explicado con éxito una serie de resultados experimentales y prevé con precisión con una amplia variedad de fenómenos. Con el paso del tiempo y a través de muchos experimentos de muchos físicos, el modelo estándar se ha establecido como una bien probada física d teórica.
Partículas materiales
Todo lo que nos rodea está hecho de partículas materiales. Esas se producen en dos tipos básicos llamados quarks y leptones
Cada grupo se compone de seis partículas, que están relacionados en parejas, o “generaciones”. Las más estables y ligeras partículas constituyen la primera generación, mientras que las partículas más pesadas y menos estables pertenecen a la segunda y tercera generaciones. Toda la materia estable en el Universo está hecha de partículas que pertenecen a la primera generación; cualquiera partícula más pesada decae forma rápidamente al siguiente nivel más estable.
Los seis quarks están apareados en las tres generaciones – el “up quark (arriba) “y el ‘ down quark (abajo)” forman la primera generación, seguido por el “charm quark (encanto)” y el «”strange quark (extraño)”, luego el ” quark top (superior) ” y el “bottom quark (inferior)”. Los seis leptones son igualmente dispuestos en tres generaciones – el “electrón” y el “electrón-neutrino “, el” muón “y el” muón-neutrino’ y la ‘tau’ y la ‘tau-neutrino ». El electrón, el muón y el tau todos tienen una carga eléctrica y una masa, mientras que los neutrinos son eléctricamente neutros con muy poca masa.
Fuerza y Partículas portadoras
Hay cuatro fuerzas fundamentales en el trabajo en el universo: la fuerza fuerte, la fuerza débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitatoria. Ellas trabajan en diferentes alcances y tienen diferentes intensidades. La gravedad es la más débil pero tiene un alcance infinito. La fuerza electromagnética también tiene alcance infinito, pero es muchas veces más intensa que la gravedad. Las fuerzas débiles y fuertes fuerzas sólo son eficaces en un muy corto alcance y dominan sólo a nivel de partículas subatómicas. A pesar de su nombre, la fuerza débil es mucho más fuerte que la gravedad, pero sí es la más débil de los otros tres. La fuerza fuerte es, como su nombre lo indica, la más fuertes entre las cuatro interacciones fundamentales
Sabemos que tres de las fuerzas fundamentales resultado del intercambio partículas portadoras de fuerza, las cuales pertenecen a un grupo más amplio denominado «bosones». Las partículas de materia transfieren cantidades discretas de energía mediante el intercambio de bosones unas con otras. Cada fuerza fundamental tiene su propio bosón de partículas correspondiente – la fuerza fuerte es portada por el ‘gluon’, la fuerza electromagnética es portada por los “fotones”, y los bosones “W y Z ” son los responsables de la fuerza débil. Aunque todavía no se encuentra, el “Gravitón” debería ser la correspondiente portadora de la fuerza de gravedad.
El modelo estándar incluye las fuerzas electromagnética, fuerte y débil y todas sus partículas portadoras, y explica extremadamente bien cómo estas fuerzas actúan en todas las partículas de materia. Sin embargo, la más conocida la fuerza en nuestra vida cotidiana, la gravedad, no forma parte del Modelo Estándar. De hecho, integrar la gravedad cómodamente en la estructura del Modelo Estándar ha demostrado ser un desafío difícil. La teoría cuántica es utilizada para describir el micro mundo, y la teoría general de la relatividad se usa para describir la macro mundo, son como dos niños que se niegan a jugar muy bien junto. Nadie ha sido capaz de hacer las dos matemáticamente compatible en el contexto del Modelo Estándar. Pero por suerte para la física de partículas, cuando se trata de la minúscula escala de las partículas, el efecto de la gravedad es tan débil como para ser insignificante. Sólo cuando tenemos materia en mole, como nosotros mismos o los planetas, el efecto de la gravedad se hace dominante. Por lo tanto, el Modelo Estándar todavía funciona bien a pesar de su reluctante exclusión de una de las fuerzas fundamentales.
Tan lejos tan bueno, pero…
… no es tiempo para que los físicos lo llamen un día justo cuando. A pesar de que el modelo estándar es actualmente la mejor descripción que tenemos del mundo subatómico, no explica la imagen completa. La teoría incorpora sólo tres de las cuatro fuerzas fundamentales, omitiendo la gravedad. Por desgracia, ¡Newton estaría revolviéndose en su tumba! También hay cuestiones importantes que no puede responder, como lo es la materia oscura, lo que ha sucedido a la desaparecida antimateria, y mucho más.
Por último, pero no por ello menos importante, un ingrediente esencial del Modelo Estándar, una partícula llamada el bosón de Higgs, aún no se ha encontrado en un experimento. La carrera es la búsqueda de Higgs – la clave para el origen de la masa de las partículas. Encontrarla sería un gran paso para la física de partículas, a pesar de que su descubrimiento no escribiría el término final a la historia.
Por lo tanto, a pesar de la eficacia del modelo estándar al describir los fenómenos dentro de su dominio, es, sin embargo, incompleta. Quizás es sólo una parte de un panorama más amplio que incluye la nueva física que ha estado profundamente oculta hasta ahora en el mundo subatómico o en la oscuridad de las rendijas del Universo. Nueva información de experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones seguramente nos ayudaran a encontrar más de estas piezas que faltan.
FALTA EL HIGGS
Una abertura mayor en la física de partículas apareció en la década de los años 70 cuando los físicos se dieron cuenta de que hay vínculos muy estrechos entre dos de las cuatro fuerzas fundamentales – a saber, la fuerza débil y la fuerza electromagnética. Las dos fuerzas se pueden describir dentro de la misma teoría, la que constituye la base del Modelo Estándar de Partículas e Interacciones. Esta «unificación» implica que la electricidad, el magnetismo, la luz y algunos tipos de radiactividad son todas manifestaciones de una única fuerza subyacente llamada, no nos sorprende, fuerza electro débil. Pero para trabajar matemáticamente esta unificación, se requiere que las partículas portadoras de fuerza no tengan masa. Experimentalmente sabemos que esto no es cierto, por lo que los físicos Peter Higgs, Robert Brout y François Englert llegaron a una solución para resolver este dilema.
Sugirieron que ninguna de las partículas tiene masa justo después del Big Bang. A medida que el Universo se enfrío y la temperatura cayó por debajo de un valor crítico, se formó un campo de fuerza invisible llamado el ‘campo de Higgs’ asociado con el ‘ bosón de Higgs’. El campo prevaleció a través de todo el cosmos: cualquiera de las partículas que interactuaron con él se dieron una masa vía el bosón de Higgs. Cuanto más interactuaron, más pesadas devinieron, mientras que las partículas que nunca interactuaron se quedaron sin masa en absoluto.
Esta idea ofreció una solución satisfactoria y encajaba bien con las teorías y fenómenos. El problema es que nadie ha observado el bosón de Higgs en un experimento para confirmar la teoría. Encontrar esta partícula daría una idea de por qué las partículas tienen masas determinadas, y ayudaría a desarrollar la subsecuente física. El problema técnico es que no sabemos la masa del bosón de Higgs, lo que lo hace más difícil de identificar. Los físicos tienen que buscarlo por investigación sistemática en un rango de masa dentro del cual se ha predicho que exista. El rango aún inexplorado es accesible mediante el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider), el cual determinará la existencia del bosón de Higgs. Si resulta que no podemos encontrarlo, esto dejará un amplio campo abierto a los físicos para desarrollar completamente una nueva teoría a fin de explicar el origen de la masa de partículas.
Los oscuros secretos del Universo
Es tal vez natural que no sepamos mucho acerca de cómo el Universo se creó – después de todo, nunca estuvimos allí nosotros mismos. Pero es sorprendente darse cuenta de que cuando se trata de el Universo de hoy, no necesariamente tenemos un conocimiento mucho mejor de lo que está ahí fuera. De hecho, los astrónomos y los físicos han descubierto que todos lo que vemos en el Universo – planetas, estrellas, galaxias – ¡representa sólo una pequeña de 4%! En cierto modo, no es tanto la parte visible cosas que definen el Universo, sino más bien el vacío a su alrededor.
Cosmológicos y astrofísicos observaciones indican que la mayor parte del Universo está compuesto de sustancias invisibles que no emiten radiación electromagnética – es decir, no podemos detectar directamente a través de telescopios u otros instrumentos similares. Se detecta sólo a través de sus efectos gravitacionales, lo que los hace muy difíciles de estudiar. Estas misteriosas sustancias se conocen como «materia oscura» y «energía oscura». ¿Qué son y qué papel han desempeñado en la evolución del Universo? son un misterio, pero dentro de esa oscuridad yacen intrigantes posibilidades hasta ahora desconocidas de la física más allá del Modelo Estándar establecido.
Materia oscura
La materia oscura representa aproximadamente el 26% del Universo. El primer indicio de su existencia llegó en 1933, cuando las observaciones astronómicas, así como los cálculos de los efectos gravitacionales pusieron de manifiesto que debe haber más’ cosas’ presente en el Universo de las que telescopios pueden ver.
Los investigadores creen ahora que el efecto gravitacional de la materia oscura hace que las galaxias giren más rápido de lo previsto, y que su campo gravitatorio desvía la luz de los objetos detrás de ella. Las mediciones de estos efectos muestran que la materia oscura existe, y pueden ser utilizados para estimar la densidad de la materia oscura, aunque no la podemos observar directamente.
Pero, ¿que es la materia oscura? Una idea es que podría contener “partículas supe simétricas” – la hipótesis de que las partículas están asociadas a las ya conocidos en el Modelo Estándar. Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) pueden ser capaces de encontrarlas.
Energía oscura
La energía oscura constituye aproximadamente el 70% del Universo y al parecer está asociada con el vacío en el espacio. Esta homogéneamente distribuida por todo el Universo, no sólo en el espacio, sino también en el tiempo – en otras palabras, su efecto no se diluye como el Universo se expande.
La igual distribución significa que la energía oscura no tiene efectos gravitacionales locales, sino más bien un efecto global sobre el Universo en su conjunto. Esto conlleva a una fuerza repulsiva, lo que tiende a acelerar la expansión del Universo. La tasa de expansión y su aceleración puede medirse por las observaciones basadas en la ley de Hubble. Estas medidas, junto con otros datos científicos, han confirmado la existencia de energía oscura y proporcionan una estimación de cuanta de esta misteriosa sustancia existe.
Traducción autorizada por el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares) copyright cern 2008
(http://public.web.cern.ch/public/en/LHC/LHC-en.html)
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¡15.000 VISITAS RELACIONADAS CON EL LHC!
11/09/2008 A LAS 19:45 HORAS GMT
MUCHAS GRACIAS PORQUE DEMUESTRA INTERES POR LAS COSAS IMPORTANTES Y PORQUE PARA MI ES UN GRAN PREMIO
GRAZNIDO
Primer racimo de partículas en el LHC /09/08/2008)
EL PRIMER HAZ DEL LHC
enlace en español:
http://www.emol.com/especiales/infografias/2008/interactivo/colisionador_hadrones/index.htm.
ENTRADAS RELACIONADAS AÑO 2008:
LHC, reparaciones en curso
LHC: EL GRAN COMPUTADOR HADRON / The Lar
LOS CENTROS CONTROL LHC / WEBCAMS
1 EXPERIMENTOS FISICA PARTICULAS / UNA MIRADA
2 MODELO DE LAS PARTICULAS E INTERACCIONES
3 INTERROGANTES DEL MODELO ESTANDAR DE LAS PARTICULAS
4 FISICA DEL LHC
5 LHC / EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES
6MATERIA OSCURA Y ENERGÍA OSCURA
7 MATERIA OSCURA
8.1 NOTICIAS DEL LHC I
8.2 NOTICIAS DEL LHC II
9 MULTIVERSO
10 MULTIVERSO II / TIEMPO Y ENTROPÍA
11 MULTIVERSO III / TIEMPO Y ENTROPÍA
12 SOÑAR
13 LA INTRODUCCION DE LA MAQUINA DEL BIG BANG
14 UN DESEO DE CAMBIAR EL MUNDO
15 LHC DESDE FRANCIA / LOS RETOS TECNOLOGICOS
16 TEORIA DE LAS CUERDAS EN POCAS PALABRAS
17 SPOOKY
18 QUANTUM DE CULTURA
19 Large Hadron Rap
(Acelerador de partículas en FERMILAB)
