El mundo de las partículas
de Brian Sothworth y Jordi Boixader
CERN
Laboratorio Europeo de Física de Partículas / Organización Europea de Investigación Nuclear
El cómic del CERN “The World of Particles” fue transformado en una presentación de
PowerPoint durante la Escuela de Verano del CERN para profesores de Instituto HST
2001.
La presentación y el cómic se pueden utilizar libremente con las únicas condiciones de no
modificar ni el texto ni los dibujos y citar siempre al CERN como fuente.
Más información sobre el CERN en
http://www.cern.ch/
y sobre su programa para profesores de Física de Instituto en
http://teachers.web.cern.ch
Sobre la enseñanza de la física de altas energías en el Instituto (¡en castellano!),
¿De
qué está hecho nuestro universo?
¿De dónde viene?
¿Por qué se comporta como lo hace?
No tenemos todas las respuestas a esas preguntas, pero en los últimos años hemos
descubierto una gran cantidad de información sobre el Universo que nos rodea.
La búsqueda ha revelado que, más allá de la evidencia visible, hay un hirviente mundo de
partículas minúsculas y mensajeros que viajan entre ellas, cambiando constantemente en
el espacio, el tiempo y la energía. Este álbum presenta el fascinante mundo de las
partículas y parte de su asombroso comportamiento.
Uno de los laboratorios en los que se lleva a cabo la búsqueda es el CERN, el Laboratorio
Europeo de Física de Partículas.
Presentamos aquí a las poderosas máquinas del CERN: los aceleradores y los detectores
en los que se crean y estudian las partículas.
Así que, sin más preámbulos, pasemos a las partículas...
El CERN continúa con la tradición de observar nuestro mundo y tratar de entenderlo
¡Eureka!
Fuego
Tierra
Agua
¡Eureka!
¡Eureka!
Los científicos del CERN buscan las piezas más pequeñas de la materia y estudian cómo con ellas se construye nuestro mundo
Ésta búsqueda se remonta, al menos, a los tiempos de los filósofos griegos
En el siglo XIX, los químicos identificaron los átomos de muchos elementos
Ahora, los físicos han encontrado partículas aún menores dentro del átomo
A principios del siglo XX, los científicos se dieron cuenta de que la nube de partículas (llamadas electrones) que hay en el exterior de los átomos es responsable de casi todo el comportamiento de la materia
Soy la
partícula
que da
lugar a...
Señoras y
caballeros:
¡El electrón!
La emisión de luzLa electricidad La
electrónica
La químicaLas propiedadesmecánicas
Entonces se descubrió que el minúsculo núcleo que hay en el centro de los átomos, de
diámetro menor que la millonésima parte de una millonésima de centímetro, contenía otras partículas llamadas protones y
neutrones
De nosotros procede cualquier tipo de energía nuclear y a algunos se nos usa en la industria, la agricultura y la medicina
Y ahora ...
¡El núcleo!
Pero ahora se ha descubierto que incluso nosotros, el neutrón y elSe han descubierto muchas partículas
y se han estudiado
sus propiedades
Curiosamente, aunque en una gota
de agua cabrían mil millones de
millones de millones de partículas
como yo, los científicos del CERN
necesitan grandes y complicados
equipos para averiguar cómo soy
Hemos decubierto que
las partículas pueden
tener carga eléctrica
Muchas de ellas
parecen girar
como peonzas
Pero si hemos descubierto tantas partículas con todas esas propiedades tan
raras, ¿estaremos de verdad aprendiendo cómo funciona nuestro universo?
¿Cómo ponemos orden
en esta pandilla?
Las partículas se pueden
clasificar en familias
según sus propiedades
Los miembros de cada
familia se comportan
de la misma manera
¿Y por qué se actúan de igual manera los miembros de la misma familia?
Porque dentro tienen partículas aún menores que les dicen
cómo .. comportarse
Con los quarks se construyen partículas como los protones y los neutrones y con éstas
se construyen los núcleos que -junto con los electrones- dan lugar a los átomos...
¿Hemos descubierto de qué está hecho nuestro Universo?
ÁTOMO
NÚCLEO
PROTÓN
QUARK
¿Eureka?
No del todo. Al estudiar los quarks, descubrimos que hay más tipos de los necesarios para formar los átomos
¿Por qué existen esos tipos extra de quark si no
hacen falta para construir nuestro mundo? ¿Hay algo dentro de los quarks? ¿Y de los
electrones?
¡Qué fuerte!
Pero hay una fuerza, llamada fuerza “fuerte”, cien veces más potente
Mantiene unidos a los protones y los neutrones en los núcleos
¡Pobre neutrón débil! Y también hay una fuerza “débil”, menos intensa que las otras
Hace que se desintegren algunas partículas. La desintegración del neutrón es una forma de radioactividad ...y la electricidad, como en el caso de los electrones (de carga
negativa) que se mantienen ligados alrededor del núcleo (de carga positiva) para formar átomos La más familiar es la fuerza electromagnética, que
unifica nuestro conocimiento del magnetismo...
¡Muy atractivo!
Del estudio de éstas particulas de las que se compone toda la materia parece desprenderse que su
Entendemos cómo se
comportan las partículas
bajo la influencia de la
fuerza electromagnética
Los electrones negativos se comunican con los protones positivos para formar átomos...
Pssst!
...mediante partículas mensajeras, llamadas fotones que las
partículas cargadas emiten en todas direcciones
La comunicación se lleva a cabo cuando otra partícula recibe uno de estos fotones
Por eso, las partículas
mensajeras que transmiten la fuerza fuerte se llaman gluones (del inglés “glue”, pegamento)
La fuerza fuerte mantiene unidos a los núcleos y adhiere entre sí tan estrechamente a los quarks de los protones que aún no ha sido posible sacar de ellos a un quark sin que lo acompañen algunas
partículas mensajeras
Pero su efecto
sobre las partículas
pequeñas es tan
minúsculo que
podemos ignorarla
Hay otra
Pero como
pueden crearse y estudiarse en el CERN, ahora los conocemos mejor La fuerza débil, que causa la
desintegración de los
neutrones, parecía misteriosa
En ella están implicadas unas escurridizas partículas
llamadas neutrinos
Grandes cantidades de neutrinos escapan en todas direcciones de la combustión en el Sol y las demás estrellas
Mientras las estrellas brillan,se están produciendo neutrinos y la fuerza débil actúa
Interaccionan tan débilmente con otras partículas que pueden atravesar la tierra sin dificultad. Ahora mismo, estás siendo
Lo que es muy sorprendente, pues la fuerza débil es tan poco intensa en comparación con las demás...
Consiguieron una teoría única que podía explicar a la vez las fuerzas electromagnética y débil
Este decubrimiento supuso a dos científicos del CERN el premio Nobel en 1984
La nueva teoría se
La nueva teoría se
confirmó en el
confirmó en el
CERN con el gran
CERN con el gran
descubrimiento de descubrimiento de las pesadas las pesadas partículas partículas mensajeras mensajeras
llamadas W y Z,
llamadas W y Z,
que transmiten la
que transmiten la
fuerza débil igual
fuerza débil igual
que los fotones
que los fotones
transmiten la transmiten la fuerza fuerza electromagnética electromagnética
Soy débil
Ahí va un neutrino
Este es el mundo de las partículas y su comportamiento que se estudian en el CERN...
Más de 7000 científicos de centros de investigación de todo el mundo participan en los experimentos del CERN
Vienen para usar las grandes
máquinas del laboratorio, en las que se aceleran las partículas hasta que alcanzan elevadas energías
Estas partículas de alta energía pueden hacerse chocar unas contra otras...
...y el resultado de las colisiones se puede observar en grandes detectores de partículas
Así como el peso de un elefante no tiene grandes efectos cuando se distribuye sobre
una superficie grande
...pero los produce tan llamativos al concentrase sobre un alfiler
En los
aceleradores del
CERN se crean y
estudian nuevas
partículas y así los
científicos
ahondan en la
estructura de la
materia
La cantidad de energía de las partículas
aceleradas es pequeña. Lo que cuenta es su concentración
Además, cuanto mayores son las energías de las partículas aceleradas, más profunda-mente pueden penetrar en la
materia
Mis imágenes las forman electrones acelerados
Un televisor tiene casi todas las características básicas de las
máquinas del CERN: una fuente de partículas y medios para
acelerarlas, guiarlas y detectarlas
Muchos de los aceleradores no son especialmente raros ni muy grandes, y la
mayoría de nosotros tiene uno en casa
¡He tenido un pequeño CERN en casa desde
siempre! Se liberan electrones
calentando un filamento
metálico... y los campos electromagnéticos los aceleran... y guían...
...siendo detectados cuando chocan
con la pantalla
Las partículas se pueden acelerar gracias a su carga eléctrica
Por ejemplo, un electrón que pasa entre dos piezas
metálicas conectadas a 1,5 V...
...se ve empujado desde el extremo negativo al positivo
Con este pequeño
“empujón”, la energía del electrón se incrementa en 1,5 electronvoltios (eV)
...millones de veces para alcanzar altas energías En los aceleradores del CERN, esos empujones se repiten...
en cada vuelta, los campos eléctricos nos dan un empujón para aumentar nuestra energía
los imanes nos conducen por una trayectoria circular y así volvemos para recibir otro empujón
El primer acelerador del CERN usaba protones. Era de un tipo llamado
“sincrociclotrón”, empleado sobre todo para estudiar el núcleo
Los protones, liberados en el centro de la máquina arrancando electrones de unos
átomos de hidrógeno mediante campos eléctricos
...seguían una trayectoria curva en el campo del imán circular de la máquina
Moviéndose hacia fuera en espiral al recibir un golpe de aceleración en cada vuelta, hasta alcanzar una energía de 600 millones de electronvoltios (600 MeV)
Lo que basta para cambiar un núcleo...
...transformándolo de maneras interesantes
Con el sincrociclotrón se inició un programa de investigación que continúa hasta hoy en una instalación del CERN llamada ISOLDE. En ISOLDE se ha transformado el plomo en oro
Los núcleos pueden estudiarse bajo condiciones extremas, como las que se dan al introducir en ellos partículas de más
Eso proporciona nueva
información sobre el núcleo, de modo parecido al de un botánico que recoge datos sobre los distintos híbridos de
una planta
Algunos de estos núcleos, llamados isótopos, se usan
en la industria, la medicina, la agricultura... ...y el conocimiento de cómo se unen los núcleos entre sí sirve para explicar la formación
de las estrellas
En 1959, el CERN puso en funcionamiento el que entonces era el acelerador de mayor energía del mundo, una máquina de 28 miles de millones de electronvoltios (28 GeV) llamada sincrotrón de protones
Los protones del sincrotrón alcanzan casi la velocidad de la luz y su “masa relativista” aumenta hasta ser casi treinta
veces mayor que en reposo
El sincrotrón de protones ha sido una máquina de mucho éxito, utilizada en cientos de experimentos y que llegó a acelerar unas mil veces más protones que los esperados. Ahora acelera muchos tipos de partículas que se llevan después a otras máquinas
¡
Todos a bordo del
En el sincrotrón de protones, los
científicos descubrieron que a veces un neutrino podía golpear a un neutrón y salir de la colisión siendo aún un neutrino
Esa fue la primera pista que indicó que las interacciones débiles y las electromagnéticas siguen las mismas reglas
En otros experimentos se midió el pequeño campo magnético de unas partículas llamadas muones con la precisión de unas pocas partes por millón
Confirmando así nuestra teoría del electromagnetismo
La máquina, de siete kilómetros de circunferencia, cruza la frontera franco - suiza
Está instalada en un túnel a unos 40 metros bajo tierra para no perturbar el medio ambiente Para penetrar más
profundamente en la
materia, el CERN construyó un supersincrotrón de
protones que entró en acción en 1976, alcanzando
energías de 400 GeV
Dispara haces de protones de alta energía contra blancos tales como un trozo de metal
Sus imanes pueden seleccionar un tipo
de-terminado de partícula de entre todas las que salen
Y éstas pueden chocar con los protones de un gran volumen de
El acelerador proporciona haces
de alta intensidad y energía...
Por ejemplo, de neutrinos
Algunos de los estudios más
precisos sobre el comportamiento de los neutrinos se han llevado a cabo en ésta máquina
También se han realizado experimentos que muestran que los quarks de los núcleos se comportan de forma distinta que los de las partículas independientes
El supersincrotrón de protones ha
acelerado núcleos, por ejemplo de plomo, hasta alcanzar energías enormes, con la esperanza de liberar quarks y gluones en un estado semejante al de la sopa de
partículas que pudo haber existido poco después de la creación del Universo.
En cambio, hacer que colisionen dos haces es como lanzar dos bolas de billar una contra otra; toda la energía de la colisión está disponible para producir
fenómenos interesantes
Pero cada haz debe contener muchas partículas, ya que de otro modo habría pocas coli-siones, como ocurre con dos rociadas de perdigones que pasan una a través de otra
Cuando se pueden hacer chocar dos haces de alta energía, hay más energía disponible para crear o transformar partículas
Al alcanzar los protones del supersincrotrón un blanco estacionario, sucede algo parecido a lo que pasa en el billar; tras un choque, la mayor parte de la energía va a parar al movimiento de las bolas
Los primeros haces intensos de protones colisionantes se
El truco está en enviar partículas por on lado y antipartículas por el otro; los campos eléctricos que empujan a los protones en un sentido tiran de los antiprotones en el contrario
Los colisionadores de haces son menos caros si se puede hacer viajar a las partículas en sentidos opuestos con un solo anillo de imanes
Las antipartículas son criaturas extrañas. Parecen ser iguales que las partículas, aunque algunas de sus propiedades están invertidas
Podemos imaginar un mundo que sería el reverso del nuestro, con átomos hechos de antielectrones (los llamados positrones) y núcleos de antiprotones y antineutrones
Pero en el CERN se inventó una forma de
hacerlo
Se producen muchos
paquetes desordenados de antiprotones a partir de un blanco
Y después se conducen mediante campos magnéticos a un anillo especial
Su comportamiento se observa en un punto del anillo...
...y la información se envía a otro punto para que unos campos eléctricos puedan ordenar allí los paquetes
Tras varias horas, millones y millones de
antiprotones han sido colocados formando un haz organizado
Después de esta invención del CERN, se hizo posible la colisión de
protones y antiprotones en el supersincrotrón
Conjuntamente, tenían suficiente energía como para producir partículas W y Z, confirmando así la unidad de los fenómenos eléctricos y de desintegración beta radiactiva
El supersincrotrón de protones ya no se usa como colisionador y ahora el CERN emplea sus antiprotones en experimentos de muy baja energía...
…en los que, por ejemplo, se
capturan antiprotones y positrones en botellas magnéticas y se los mezcla para conseguir átomos de antihidrógeno
Esto nos ha dado a los
...para investigar la materia en unas
condiciones que nunca ante se habían
conseguido En 1989, el CERN puso en
funcionamiento el LEP, el mayor colisionador de electrones y positrones del mundo
...o colisionadores de electrones y positrones,
que producen colisiones sencillas, pero con los que es difícil conseguir altas energías
Actualmente pueden elegir entre colisionadores de protones, que pueden alcanzar energías muy altas, pero tienen todas las complicaciones que traen los quarks y gluones participantes...
(El CERN está construyendo ahora uno de éstos, el LHC,
Gran Colisionador de Hadrones) Los científicos tienen que ser muy
...y se instaló en un túnel de unos cuatro metros de ancho, perforado con una precisión de un centímetro en un anillo de 27 km de circunferencia
El LEP se construyó decenas de metros por debajo del campo, entre Francia y Suiza
Los aceleradores de protones del CERN ya existentes se modificaron para inyectar electrones y
positrones en el LEP
LHC-Durante la construcción del LEP se desarrollaron diversas nuevas tecnologías, incluyendo el uso de cemento para separar láminas de hierro en los imanes para campos magnéticos bajos
Para absorber moléculas de gas,manteniéndolas apartadas de las partículas circulantes, se
emplearon más de 20 km de un material, la “cinta captadora”, que también se usa en los aparatos de televisión
...y las cavidades superconductoras de aceleración las hacían ganar velocidad Unos imanes
La construcción del LEP, que fue el mayor instrumento científico del mundo, con sus miles de
complejos componentes de alta tecnología, supuso un triunfo para la industria y la tecnología
europeas.
Se necesitan
instrumentos muy grandes para
observar las partículas de alta energía
que escapan de la colisión
Para detectar partículas se
emplean distintas técnicas, tales
como medir las pequeñas
perturbaciones eléctricas que
causan al romper los átomos que
encuentran a su paso
y la señal eléctrica se recoge en el hilo más próximo de una de las grandes cortinas de alambres que hay en algunos detectores, diciendo así a los científicos por dónde ha pasado una partícula
En un gran detector, la región de la colisión está rodeada por cortinas de hilos, calorímetros y otros detec-tores para observar los resultados
Hay otra técnica que mide la energía perdida por una partícula al chocar con otras en su camino.
Toda la información producida por estos
detectores es analizada por computadoras
Sofisticados equipos electrónicos “disparan” los detectores cuando hay una colisión interesante...
...así, los científicos no tienen que estar presentes
todo el tiempo
Se han encontrado usos para detectores
similares en los hospitales
Los modernos detectores,
como los del LEP, son
electrónicos y mayores que
una casa
La información de un solo
suceso podría llenar una
guía de teléfonos
Rodean al punto de
colisión de las
partículas
Registran las
direcciones en las que
salen las partículas y
miden su energía
Unos grandes imanes curvan las
trayectorias de las partículas y
así revelan su carga eléctrica
En su interior tendrán lugar unos
800 millones de colisiones
individuales protón - protón cada
segundo
Uno de los detectores del LHC es
tan grande como un bloque de
oficinas de seis plantas
...que existían justo tras el nacimiento del Universo
Los detectores del LHC, el sucesor del LEP,
dejarán pequeños incluso a los de éste
Lo que equivale en datos a unos 800 millones de guías de teléfonos
Las colisiones protón -protón del LHC
permitirán a los científicos estudiar las
Entre las cuestiones
que abordará el Gran
Colisionador de
Hadrones están la
estructura de la
materia y el misterio
de la masa
Las masas de los partículas son muy
importantes. Si los electrones no
tuvieran masa, no existirían los sólidos
¿Hay partículas pesadas que
expliquen la ausencia aparente de
antimateria en el Universo ?
¿Por qué son tan masivas las partículas W
y Z? Si las W fueran más ligeras que los
electrones, nosotros no existiríamos
¿Existe una supersimetría
que relacione las fuerzas con
la materia ?
En cierto sentido, los científicos tienen que pelearse para decidir quién usa las máquinas del CERN
Para construir y manejar los grandes detctores y para llevar a cabo los experimentos puede ser necesaria la colaboración de cientos de científicos
Presentan sus ideas ante comités que recomiendan o rechazan los experimentos
No hay nada secreto sobre los experimentos y todos los resultados se publican
No tienen nada que ver con las
A comienzos de la década de 1950, algunos científicos y políticos europeos decidieron crear un gran laboratorio de Física para que los físicos de calidad pudieran quedarse en Europa y para ayudar a unir a los países divididos por la guerra
En el año 2000, el CERN tenía 20 estados miembros:
Alemania, Austria, Bélgica, Bulgaria, Dinamarca, España
Finlandia, Francia, Grecia, Holanda, Hungría, Italia,
Noruega, Polonia, Portugal, el Reino Unido, la República
Checa, la República Eslovaca, Suecia y Suiza
En 1953 se firmó una convención por la que se estabecía la organización
Empezó siendo el
La máxima autoridad del CERN es el Consejo, que normalmente se reúne dos veces al año y en el que cada
estado miembro está representado por un científico y un funcionario de la administración científica
Cada país tiene el mismo peso en las votaciones del Consejo en las que se toman las
decisiones independientemente de su tamaño
Es el Consejo quien autoriza los nuevos grandes proyectos o las mejoras
importantes de las instalaciones. También vota los presupuestos del CERN
y nombra al Director General del laboratorio
El Comité de Política Científica
controla el desarrollo científico del
laboratorio
Al Consejo le ayudan
en su tarea dos
comités
Está formado por científicos
seleccionados por su excelencia, sin
tener en cuenta el país de origen
El Comité de Finanzas
controla el desarrollo
económico del CERN
Está formado por expertos
financieros de cada estado
miembro
El Director General dirige
Cada estado miembro
contribuye al CERN en
proporción a su producto
interior neto
El presupuesto anual se usa para la compra de equipamiento, para el
funcionamiento y desarrollo de las instalaciones de investigación y para
pagar los salarios del personal del CERN
La industria europea calcula que, en promedio,
por cada euro de negocios con el CERN, se
producen unos tres más en nuevos negocios
El personal del CERN debe incluir expertos en muchos campos para cubrir las necesidades de la
investigación sobre física de partículas. Puede dividirse aproximadamente en cuatro categorías
Más de un tercio son
científicos o ingenieros
Una cuarta parte son técnicos o delineantesUna cuarta parte son
operarios
Y el resto se dedica a
la administración
En el CERN trabajan unas 7000 personas. De ellas, unas 2000 son personal del CERN, mientras que la mayoría del resto lleva a cabo sus investigaciones como
visitantes
Casi todo el personal viene
de los estados miembros...
...pero no hay cuotas
nacionales
Y entre todas estas personas,
todavía nadie me entiende de
verdad...
El CERN trabaja con la
industria europea en
muchas de las fronteras
de la tecnología moderna
La construcción y el manejo de los instrumentos del CERN requieren habilidades y tecnologías de todo tipo
Por ejemplo, comunicaciones, vacío, computación, metrología, ingeniería civil, superconductividad, tecnología
de aceleradores y detección de partículas. Incluso la Red, la World Wide Web, fue inventada por
Todo esto sucede en un bonito lugar
cerca de Ginebra, en Suiza
Ginebra es huésped de muchas
organizaciones internacionales y está
bien adaptada para recibirlas
Además, por el tamaño creciente de sus máquinas, el CERN se ha extendido al Pays de Gex, en
Francia. Es el único laboratorio del mundo que cruza físicamente una frontera
El laboratorio resulta fácilmente accesible para los científicos que van a hacer sus experimentos
CERN
LOS ALPES
Miles de científicos de estados no miembros se ven también atraídos por las inigualables instalaciones de
investigación del laboratorio. El CERN es un triunfo de la ciencia internacional
Hoy en día contribuyen al CERN varios estados que no son miembros:
Canadá, los