CERN: Estudo da física de partículas en Europa
A Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) decidiu pechar o acelerador de partículas LEP (Large Electron-Positron collider) situado entre Francia e Suíza. Nun principio debían pecharse en setembro de 2000, pero coa esperanza de atopar as misteriosas partículas de Higgs, decidiron pospor o peche ao 2 de novembro. A detección de partículas de Higgs suporía un gran paso paira comprender a orixe da masa de partículas. A pesar das conclusións bastante esperanzadoras, preferiuse non prolongar a actividade das OPEs até o ano 2001, xa que tería gran influencia na construción do acelerador LHC e no resto de proxectos do CERN.
O director do CERN, Luciano Maiani, afirmou que non foi una decisión fácil, xa que a OPE tiña una importancia capital na investigación científica europea e o recoñecemento total das persoas que traballan na física de partículas. De feito, a OPE foi o primeiro acelerador europeo moito máis avanzado que en Estados Unidos. Con todo, sinalan que esta difícil decisión era necesaria, a pesar dos numerosos resultados obtidos na actividade continuada de once anos, xa que a OPE non garantía a precisión suficiente. Por exemplo, paira coñecer a enerxía que conteñen as partículas é necesario coñecer con precisión a súa traxectoria. O problema é que debido á acción da lúa e o sol, o chan se deforma lentamente, polo que a pesar de xerar una deformación dun milímetro nunha lonxitude de 27 quilómetros, é un efecto a considerar nos estudos do CERN. Con todo, os europeos que traballan na física de partículas non teñen motivos paira preocuparse, xa que no mesmo lugar o acelerador LHC encherá o oco deixado polos LEP. O acelerador LHC permitirá traballar en alta enerxía dun teraelectronvolt.
Que é un acelerador de partículas?
Os aceleradores utilízanse paira a investigación das partículas elementais que forman a materia e, segundo os expertos, son os principais e máis precisos instrumentos científicos elaborados polo home. Existen dous tipos de aceleradores: os lineais (chamados linac) e os circulares (ciclotrones), pero ambos son necesarios o campo eléctrico e o magnético. O campo eléctrico achega enerxía ás partículas, acelerándoas, mentres que o campo magnético mantén a focalización exacta do fai de partículas. Nos linacs, as partículas filtran campos eléctricos continuos que incrementan a súa enerxía, mentres que nos ciclotrones, dando voltas e pasando polo mesmo campo eléctrico, conseguen almacenar enerxía. A medida que a velocidade das partículas acelérase, a tendencia á desviación tamén aumenta e, a este nivel, a principal vantaxe da OPE era: Grazas a una circunferencia de 27 quilómetros, a curva máis pequena podería verse afectada.
As últimas pezas crave dos aceleradores son detectores paira observar as partículas e os seus choques. Cando as partículas alcanzan una velocidade relativamente alta, rompen contra as finas ou mediante o choque. Os detectores permiten identificar as partículas e determinar a súa traxectoria. A OPE contaba con catro detectores: Aleph, L-3, Delphi e Opal.
Descubrimentos do acelerador LEP
Sen dúbida, o acelerador de partículas LEP é un dos símbolos máis importantes da investigación científica europea. Desde a súa posta en marcha hai once anos até o último mes, foi testemuña de continuos descubrimentos. Os expertos en física de partículas realizaron só encomios, ano tras ano, nun acelerador no que cada vez se realizaron máis medidas de precisión.
Como resultado destas medidas, os físicos están a traballar na unión de catro interaccións, eléctrica, magnética e nuclear violenta e débil. Xa na teoría denominada modelo estándar na física de partículas uníronse interaccións electromagnéticas e nucleares débiles, e agora falta engadir interaccións nucleares fortes (subnucleares). Con todo, grazas a medidas de gran precisión, esta última teoría e o modelo estándar, na historia da física, conseguiuse ser o marco conceptual máis completo e desenvolvido.
Entre as medidas concretas pódense citar a intensidade das interaccións violentas, a masa e as propiedades máis precisas das partículas Z e W. As partículas Z e W son responsables de interaccións débiles e, sobre todo, están na base de desintegracións radioactivas. Tamén se poden citar medidas concretas das propiedades de leptoi, quark xarma e partículas baixas.
Pero, sen dúbida, as medidas máis importantes que se levaron a cabo nas OPEs foron as interaccións electromagnéticas en alta enerxía (90.000 e 210.000 millóns de electrónicos). Estas medicións permitiron deducir a masa de quarks, a existencia e a masa de quark superiores.
A partir de agora, a principal tarefa dos físicos de partículas é identificar a orixe da masa de partículas. No modelo estándar, as partículas obteñen a súa masa mediante o mecanismo denominado Higgs. Segundo esta teoría, todas as partículas e os vectores de forza interactúan coa partícula denominada bosón de higgs. A intensidade desta interacción xeraría o que nós chamamos masa: a maior intensidade, maior masa. Nos últimos meses da OPE centrouse en identificar a partícula de Higgs. Os resultados foron satisfactorios, pero non foi posible concluír este labor.
Desde o punto de vista político, a principal preocupación dos físicos europeos é si, tras estar tan preto deste importante descubrimento, a resposta a esta pregunta atoparana os físicos americanos no prazo de cinco anos antes da posta en marcha do acelerador LHC.
Estudos valiosos
Aínda que inicialmente os aceleradores desenvolvéronse paira a física, na actualidade utilízanse paira fins prácticos noutros campos científicos, na industria e no medicamento, como son os procesos de polimerización, tratamento de residuos e esterilización de alimentos. O medicamento tamén ten múltiples aplicacións, xa que os ciclotrones producen isótopos localizables no corpo humano. Por outra banda, tamén se utilizan aceleradores de protones paira eliminar os tumores profundos, xa que os protones descansan a maior parte da enerxía ao final do percorrido, sen danar as capas superficiais nin os órganos vulnerables.
Una das aplicacións máis exitosas dos aceleradores de partículas na actualidade é a capacidade de producir enerxía limpa e ilimitada con total seguridade. A idea do ex director do CERN, Carlo Rubbia, foi unir o acelerador de partículas co reactor nuclear. Paira a produción de neutróns obrigatorios paira a fisión nuclear utilizarase un acelerador de partículas. Este novo sistema, a diferenza do reactor de fisión convencional, necesita enerxía paira funcionar, pero a súa xeración é moito maior que a que consome. Por iso o seu autor chámalle amplificador de enerxía. Ademais, este sistema non xeraría residuos nucleares perigosos. En 1995 pensouse tamén no uso do amplificador de enerxía paira a incineración de nucleres de residuos de longa duración. A idea é engadir ao torio residuos perigosos como o plutonio para que participen en reaccións de rotura e así desintegrarse en elementos non perigosos. En 1996 desenvolveron a idea do CERN e ademais de demostrar que os residuos poden desintegrarse, descubriron que os subproductos son isótopos con aplicacións médicas.
Que compón a materia?
O mundo que nos rodea é un mundo de materias moi variadas, e é realmente sorprendente ver que todas elas están formadas por unhas poucas partículas elementais. As partículas elementais, quarks e leptois pódense unir en dúas familias.
QUARKgora behaxarma arrotzgoi LEPTOIelectrón neutrino-electrón neutrino-muoitau neutrino-tauDistínguense catro tipos de materias, a materia común, a materia cósmica, a materia de alta enerxía e a antimatería.
Materia común
Toda a materia que coñecemos até agora no universo está feita dun centenar de átomos. Os átomos están formados polo núcleo e os electróns que viran ao seu ao redor. O núcleo está composto de núcleos -protones e neutróns. Os electróns non parecen ter estrutura interna. Pola contra, os nucleones son partículas compostas formadas por tres quarkes. Só dous quark, arriba e abaixo, son necesarios paira formar protones e neutróns. Paira completar a táboa de partículas elementais hai que engadir outra partícula, o electrón de neutrino. É una partícula neutra e moi lixeira, imprescindible en reaccións nas que os protones convértense en neutróns, mesmo nas inversas. Estas reaccións son necesarias para que a materia chegue á súa forma estable.
Materia cósmica
Os núcleos atómicos de alta enerxía (fundamentalmente protones) procedentes do espazo son o resultado do fai de partículas que se produce ao chocar as radiacións cos átomos da alta atmosfera.
A materia cósmica non é só de electróns, neutróns e protones, senón tamén doutro tipo de partículas. Paira comprender as radiacións cósmicas necesítase un muón, un muón neutrino e un quark estraño. Nas radiacións cósmicas próximas ao sol hai muones 210 veces máis pesados que os electróns. Tras 2,2 microsegundos, os muones convértense en electróns. O seu exceso de masa distribúese en forma de enerxía cinética entre os electróns, os electróns neutrinos e os muones neutrinos.
Materia alta enerxía
As radiacións cósmicas son, en parte, laboratorios naturais de gran enerxía, pero é moi difícil investigar neles. Por iso, en laboratorios como o CERN detectáronse novas partículas que até hai pouco non se podían atopar, como o latón. Tau é una partícula cargada como o electrón, pero é moito máis pesada que o electrón e o muón e ten una vida moi curta. O latón pode converterse nun electrón e un muón, pero en cada desintegración xera a súa homóloga partícula neutrino-tau. Outras partículas formadas por colisións de gran enerxía están formadas por quarkes, pero non son as formas quarks que até agora coñeciamos. Están compostos de encanto, alto e baixo peso.
Antimatería
Todas as partículas elementais teñen a súa propia antipartícula. As antipartas son como a imaxe do espello, é dicir, parécense moito á partícula, pero teñen propiedades opostas como a carga eléctrica. O electrón, por exemplo, ten una carga eléctrica negativa e a súa antipartículas, chamados positrones, ten una carga positiva. A antipartícula fórmase coa partícula. Cando una partícula únese á súa antipartículocorrespondiente, mediante un proceso denominado eliminación, convértense en enerxía.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
