CERN: Estudio de la física de partículas en Europa
La Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) ha decidido cerrar el acelerador de partículas LEP (Large Electron-Positron collider) situado entre Francia y Suiza. En un principio debían cerrarse en septiembre de 2000, pero con la esperanza de encontrar las misteriosas partículas de Higgs, decidieron posponer el cierre al 2 de noviembre. La detección de partículas de Higgs supondría un gran paso para comprender el origen de la masa de partículas. A pesar de las conclusiones bastante esperanzadoras, se ha preferido no prolongar la actividad de las OPEs hasta el año 2001, ya que tendría gran influencia en la construcción del acelerador LHC y en el resto de proyectos del CERN.
El director del CERN, Luciano Maiani, ha afirmado que no ha sido una decisión fácil, ya que la OPE tenía una importancia capital en la investigación científica europea y el reconocimiento total de las personas que trabajan en la física de partículas. De hecho, la OPE fue el primer acelerador europeo mucho más avanzado que en Estados Unidos. Sin embargo, señalan que esta difícil decisión era necesaria, a pesar de los numerosos resultados obtenidos en la actividad continuada de once años, ya que la OPE no garantizaba la precisión suficiente. Por ejemplo, para conocer la energía que contienen las partículas es necesario conocer con precisión su trayectoria. El problema es que debido a la acción de la luna y el sol, el suelo se deforma lentamente, por lo que a pesar de generar una deformación de un milímetro en una longitud de 27 kilómetros, es un efecto a considerar en los estudios del CERN. Sin embargo, los europeos que trabajan en la física de partículas no tienen motivos para preocuparse, ya que en el mismo lugar el acelerador LHC llenará el hueco dejado por los LEP. El acelerador LHC permitirá trabajar en alta energía de un teraelectronvolt.
¿Qué es un acelerador de partículas?
Los aceleradores se utilizan para la investigación de las partículas elementales que forman la materia y, según los expertos, son los principales y más precisos instrumentos científicos elaborados por el hombre. Existen dos tipos de aceleradores: los lineales (llamados linac) y los circulares (ciclotrones), pero ambos son necesarios el campo eléctrico y el magnético. El campo eléctrico aporta energía a las partículas, acelerándolas, mientras que el campo magnético mantiene la focalización exacta del haz de partículas. En los linacs, las partículas filtran campos eléctricos continuos que incrementan su energía, mientras que en los ciclotrones, dando vueltas y pasando por el mismo campo eléctrico, consiguen almacenar energía. A medida que la velocidad de las partículas se acelera, la tendencia a la desviación también aumenta y, a este nivel, la principal ventaja de la OPE era: Gracias a una circunferencia de 27 kilómetros, la curva más pequeña podría verse afectada.
Las últimas piezas clave de los aceleradores son detectores para observar las partículas y sus choques. Cuando las partículas alcanzan una velocidad relativamente alta, se rompen contra las finas o mediante el choque. Los detectores permiten identificar las partículas y determinar su trayectoria. La OPE contaba con cuatro detectores: Aleph, L-3, Delphi y Opal.
Descubrimientos del acelerador LEP
Sin duda, el acelerador de partículas LEP es uno de los símbolos más importantes de la investigación científica europea. Desde su puesta en marcha hace once años hasta el último mes, ha sido testigo de continuos descubrimientos. Los expertos en física de partículas han realizado sólo alabanzas, año tras año, en un acelerador en el que cada vez se han realizado más medidas de precisión.
Como resultado de estas medidas, los físicos están trabajando en la unión de cuatro interacciones, eléctrica, magnética y nuclear violenta y débil. Ya en la teoría denominada modelo estándar en la física de partículas se han unido interacciones electromagnéticas y nucleares débiles, y ahora falta añadir interacciones nucleares fuertes (subnucleares). Sin embargo, gracias a medidas de gran precisión, esta última teoría y el modelo estándar, en la historia de la física, se ha conseguido ser el marco conceptual más completo y desarrollado.
Entre las medidas concretas se pueden citar la intensidad de las interacciones violentas, la masa y las propiedades más precisas de las partículas Z y W. Las partículas Z y W son responsables de interacciones débiles y, sobre todo, están en la base de desintegraciones radiactivas. También se pueden citar medidas concretas de las propiedades de leptoi, quark xarma y partículas bajas.
Pero, sin duda, las medidas más importantes que se han llevado a cabo en las OPEs han sido las interacciones electromagnéticas en alta energía (90.000 y 210.000 millones de electrónicos). Estas mediciones permitieron deducir la masa de quarks, la existencia y la masa de quark superiores.
A partir de ahora, la principal tarea de los físicos de partículas es identificar el origen de la masa de partículas. En el modelo estándar, las partículas obtienen su masa mediante el mecanismo denominado Higgs. Según esta teoría, todas las partículas y los vectores de fuerza interactúan con la partícula denominada bosón de higgs. La intensidad de esta interacción generaría lo que nosotros llamamos masa: a mayor intensidad, mayor masa. En los últimos meses de la OPE se ha centrado en identificar la partícula de Higgs. Los resultados han sido satisfactorios, pero no ha sido posible concluir esta labor.
Desde el punto de vista político, la principal preocupación de los físicos europeos es si, tras estar tan cerca de este importante descubrimiento, la respuesta a esta pregunta la encontrarán los físicos americanos en el plazo de cinco años antes de la puesta en marcha del acelerador LHC.
Estudios valiosos
Aunque inicialmente los aceleradores se desarrollaron para la física, en la actualidad se utilizan para fines prácticos en otros campos científicos, en la industria y en la medicina, como son los procesos de polimerización, tratamiento de residuos y esterilización de alimentos. La medicina también tiene múltiples aplicaciones, ya que los ciclotrones producen isótopos localizables en el cuerpo humano. Por otra parte, también se utilizan aceleradores de protones para eliminar los tumores profundos, ya que los protones descansan la mayor parte de la energía al final del recorrido, sin dañar las capas superficiales ni los órganos vulnerables.
Una de las aplicaciones más exitosas de los aceleradores de partículas en la actualidad es la capacidad de producir energía limpia e ilimitada con total seguridad. La idea del ex director del CERN, Carlo Rubbia, ha sido unir el acelerador de partículas con el reactor nuclear. Para la producción de neutrones obligatorios para la fisión nuclear se utilizará un acelerador de partículas. Este nuevo sistema, a diferencia del reactor de fisión convencional, necesita energía para funcionar, pero su generación es mucho mayor que la que consume. Por eso su autor le llama amplificador de energía. Además, este sistema no generaría residuos nucleares peligrosos. En 1995 se pensó también en el uso del amplificador de energía para la incineración de nucleres de residuos de larga duración. La idea es añadir al torio residuos peligrosos como el plutonio para que participen en reacciones de rotura y así desintegrarse en elementos no peligrosos. En 1996 desarrollaron la idea del CERN y además de demostrar que los residuos pueden desintegrarse, descubrieron que los subproductos son isótopos con aplicaciones médicas.
¿Qué compone la materia?
El mundo que nos rodea es un mundo de materias muy variadas, y es realmente sorprendente ver que todas ellas están formadas por unas pocas partículas elementales. Las partículas elementales, quarks y leptois se pueden unir en dos familias.
QUARKgora behaxarma arrotzgoi LEPTOIelectrón neutrino-electrón neutrino-muoitau neutrino-tauSe distinguen cuatro tipos de materias, la materia común, la materia cósmica, la materia de alta energía y la antimatería.
Materia común
Toda la materia que conocemos hasta ahora en el universo está hecha de un centenar de átomos. Los átomos están formados por el núcleo y los electrones que giran a su alrededor. El núcleo está compuesto de núcleos -protones y neutrones. Los electrones no parecen tener estructura interna. Por el contrario, los nucleones son partículas compuestas formadas por tres quarkes. Sólo dos quark, arriba y abajo, son necesarios para formar protones y neutrones. Para completar la tabla de partículas elementales hay que añadir otra partícula, el electrón de neutrino. Es una partícula neutra y muy ligera, imprescindible en reacciones en las que los protones se convierten en neutrones, incluso en las inversas. Estas reacciones son necesarias para que la materia llegue a su forma estable.
Materia cósmica
Los núcleos atómicos de alta energía (fundamentalmente protones) procedentes del espacio son el resultado del haz de partículas que se produce al chocar las radiaciones con los átomos de la alta atmósfera.
La materia cósmica no es sólo de electrones, neutrones y protones, sino también de otro tipo de partículas. Para comprender las radiaciones cósmicas se necesita un muón, un muón neutrino y un quark extraño. En las radiaciones cósmicas cercanas al sol hay muones 210 veces más pesados que los electrones. Tras 2,2 microsegundos, los muones se convierten en electrones. Su exceso de masa se distribuye en forma de energía cinética entre los electrones, los electrones neutrinos y los muones neutrinos.
Materia alta energía
Las radiaciones cósmicas son, en parte, laboratorios naturales de gran energía, pero es muy difícil investigar en ellos. Por ello, en laboratorios como el CERN se han detectado nuevas partículas que hasta hace poco no se podían encontrar, como el latón. Tau es una partícula cargada como el electrón, pero es mucho más pesada que el electrón y el muón y tiene una vida muy corta. El latón puede convertirse en un electrón y un muón, pero en cada desintegración genera su homóloga partícula neutrino-tau. Otras partículas formadas por colisiones de gran energía están formadas por quarkes, pero no son las formas quarks que hasta ahora conocíamos. Están compuestos de encanto, alto y bajo peso.
Antimatería
Todas las partículas elementales tienen su propia antipartícula. Las antipartas son como la imagen del espejo, es decir, se parecen mucho a la partícula, pero tienen propiedades opuestas como la carga eléctrica. El electrón, por ejemplo, tiene una carga eléctrica negativa y su antipartículas, llamados positrones, tiene una carga positiva. La antipartícula se forma con la partícula. Cuando una partícula se une a su antipartículocorrespondiente, mediante un proceso denominado eliminación, se convierten en energía.
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