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El acelerador de partículas LHC
El Gran Colisionador de Hadrones es un potentisimo acelerador de partículas
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), es un acelerador de partículas, construido en el CERN, en Ginebra. Se podría decir que es el mayor y más potente microscopio de la historia de la ciencia. Multiplica por 10 la potencia del Fermilab de USA que, hasta ahora, era el acelerador más potente del mundo. Lo más fascinante del LHC es que en él se podrían producir las partículas de las que se compone la materia oscura. Esto sería un enorme avance en el conocimiento del Universo.
Los físicos esperan que el LHC inaugure una nueva era de la física de partículas en la que se resuelvan las principales incógnitas sobre la composición de la materia y la energía en el universo.
Desde su inicio hasta la inauguración exitosa del 30 de marzo de 2010, el LHC ha costado 3.900 millones de euros. Esta gigantesca inversión cobra sentido cuando se piensa que es el mayor esfuerzo de colaboración internacional en la búsqueda del conocimiento de la materia, saber de qué estamos hecho y cómo funciona el mundo en el que vivimos. En el LHC participan alrededor de 10.000 científicos de 80 países diferentes. De ellos, 400 son españoles.
Si Dios existe, no cabe duda de que estará orgulloso de esta hazaña del ser humano en su camino evolutivo. Es maravilloso lo que el hombre está consiguiendo averiguar en estos últimos cien años.
Transcurrieron casi 100 años, desde el descubrimiento del electrón (1897) hasta el descubrimiento del quark top (1995), para que el mundo científico tuviera una clasificación bastante satisfactoria de las partículas elementales que componen la materia. En esta clasificación se consideran 3 familias de partículas. Hay pruebas convincentes de que no existe una cuarta familia.
La primera familia está formada por electrones, quarks up, quarks down y neutrinos electrónicos. Toda la materia del universo: estrellas, Sol, planetas, Tierra, animales, árboles, insectos y nosotros mismos, está constituida solamente por estos cuatro elementos que forman la familia del electrón.
Los elementos de la segunda familia tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del muón. El muón es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 200 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: muones, quarks strange, quarks charm y neutrinos muónicos.
Los elementos de la tercera familia también tienen una vida muy efímera (fracción de segundo), se han encontrado solamente en los rayos cósmicos y en el laboratorio. Es la familia del tau . El tau es una partícula en todo similar al electrón, pero su masa es 3.500 veces mayor que la masa del electrón. Esta familia tiene también cuatro elementos: tauones, quarks top, quarks bottom y neutrinos tauónicos.
Una de las cuestiones centrales es lo que llamamos masa original. La masa se traduce en peso en un campo gravitacional. Si usted se encuentra en el espacio no pesa, pero sigue teniendo masa.
El fotón, la partícula de la luz, nos trae la luz del sol, nos permite ver y comunicarnos. ¡Pero no tiene masa!
La masa del electrón es 0,0005 GeV. La masa del muón es 200 veces mayor que la del electrón. Y la masa del tau es 3.500 veces mayor que la del electrón. Nadie sabe qué es lo que decide que un fotón no tenga masa y que las partículas de las tres familias tengan masas crecientes de una familia a otra.
Se cree que debe haber otra partícula, el bosón de Higgs, que podría explicar la diferencia entre el fotón carente de masa y las otras partículas que sí la tienen. Si el bosón de Higgs existe, debe ser un componente integral del mundo material.
Si el bosón de Higgs no fuera encontrado con el LHC, también sería un descubrimiento fascinante. Querría decir que hay otras posibilidades para explicar la masa, en las que no se ha pensado. Querría decir que quizás no se sabe nada todavía. Habría que tomárselo con optimismo y recordar la variante de la poesía de Manuel Machado: "caminante no hay camino .... media vuelta, que nos perdimos".
LA MAQUINARIA DEL LHC
El LHC es una gigantesca maquinaria con más de 27 km de circunferencia en un túnel octogonal, con 8 arcos conectados por 8 secciones rectas cortas, enclavada en roca sólida, a 100 metros de profundidad en el lado del lago Leman en los aledaños de Ginebra.
Para que la enorme velocidad que se imprime a los protones no los haga salirse por la tangente, se requiere transportarlos a lo largo de una circunferencia muy grande y mantenerlos en su ruta mediantepotentes y gigantescos electroimanes.
En este túnel se albergan los 4 experimentos (ATLAS, ALICE, CMS y LHC) y los servicios relacionados con el control de los dos haces de electrones. El diseño se hizo en 10 años y su construcción ha durado más de 9 años.
Choque de protones
Choque de protones
El LHC está destinado a provocar el choque frontal de hasta 2.808 paquetes de protones que son acelerados a una velocidad cercana a la de la luz (99,9999991%) y que se cruzan hasta 30 millones de veces por segundo, en cuatro puntos.
Cada uno de los paquetes, transporta hasta 100.000 millones de protones que, en cada colisión se crean y expulsan miles de partículas. Los datos recogidos en los cuatro detectores de tamaño colosal y sofisticada tecnología, ocupan millones de Gigabytes que deben ser almacenados y analizados.
Los parámetros básicos del LHC superan los de los anteriores colisionadores en casi todos los aspectos:
El proceso de aceleración de protones se realiza en varias etapas. La primera aceleración se realiza en el Linac2, de ahí los protones pasan al PS Booster en donde, además de aumentar la aceleración se compactan en paquetes de 100.000 millones de protones.
Luego se pasan al PS en donde la velocidad pasa a ser de 99,9% la de la luz y la energía alcanza a 25 GeV. Después, los paquetes de protones son acelerados en el SPS hasta99,9998% de la velocidad de la luz. La energía cinética alcanza los 450 GeV.
Finalmente los protones se inyectan en el LHC, en donde la velocidad alcanza el99,9999991% la de la luz y la energía cinética llega a los 7.000 GeV (7 TeV).
Tiene casi 7.000 imanes refrigerados por helio líquido a menos de dos grados Kelvinpara que sean superconductores, que dirigen y enfocan los haces de protones. El LHC es el lugar más frío del Universo, pues incluso en el inhóspito espacio exterior la temperatura es aproximadamente de 3 grados Kelvin.
Para conducir los canales de datos desde los detectores hasta los procesadores de datos se necesitan verdaderos ríos de miles de cables.
Estos cables están etiquetados uno a uno, pues deben encajar con la conexión correcta.
El diseño de la máquina está proyectado para producir haces con 40 veces la intensidad de los haces del Tevatrón, del Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi.
Cada protón adquiere unos 7 TeV de energía. Los millones de canales de datos que salen del detector producen alrededor de un megabyte de datos por colisión: 1.000 millones de megabytes (un millón de GBytes), cada dos segundo.
Nota: Tera indica un factor de 1012 (Un billón, un millón de millones). En los cuerpos en estado sólido, las energías químicas y electrónicas son del orden del electronvoltio. En las reacciones nucleares, las energías desarrolladas son de millones de electronvoltios (Mega electronvoltios, MeV). Pero en el territorio de las partículas elementales actúan energías de miles de millones de electronvoltios (Tera electronvoltios, TeV).
Los subdetectores
Los físicos experimentales de partículas llevan decenios construyendo complejos detectores y utilizando la colaboración de muchas instituciones. Cada institución se responsabiliza de desarrollar y construir un "subdetector". Un equipo central de coordinación en el CERN asegura su perfecta integración para tener como resultado un único sistema coherente de detección de partículas.
Utilización de Internet
El CERN utiliza Internet desde hace mucho tiempo. Sin embargo, apoyar a miles de físicos en sus búsquedas de agujas en el enorme pajar de datos producido por el LHC requiere algo más.
El análisis científico ha de ser riguroso, preciso y repetible. Cada físico filtra los datos a su manera, y sus resultados no se han de mezclar con los con los de otros.
Se necesita unir a través de Internet la capacidad de procesamiento de muchos centros esparcidos alrededor del globo, pero disponiendo el acceso de suerte que cada físico tenga su espacio virtual personal.
En el LHC se cuenta con la colaboración de científicos de todo el mundo. Más de 5.000 científicos, ingenieros y becarios colaboran en la gigantesca tarea experimentar con energías a la escala Tera, a fin de sonsacar a la naturaleza los secretos que encierra en el interior de las partículas elementales y averiguar de qué estamos hechos y cómo funciona realmente el lugar donde vivimos.
Miles de gigabytes de datos han de fluir diariamente a través de los programas de los físicos, según sus exactas especificaciones y con tanta facilidad como la de mover un icono en la pantalla de un PC.
Esto requiere unir a través de Internet la capacidad de procesamiento de muchos centros esparcidos alrededor del mundo, pero habilitando el acceso de manera que cada físico tenga su espacio virtual personal.
La técnica adicional que permite crear este entorno es la malla o entramado digital que sirve no sólo para transmitir, sino también para direccionar y coordinar el acceso a datos, la asignación de ordenadores y la entrega fiable de resultados a cada individuo.
Descubrimientos con el LHC
Cuando, en el LHC, dos partículas elementales se estrellen entre sí con una energía combinada de alrededor de un billón de electronvoltios está casi garantizado que se producirán fenómenos radicalmente nuevos. Se espera detectar partículas muy buscadas que podrían completar nuestro conocimiento de la naturaleza de la materia, como el de la escurridiza partícula de Higgs y el de las partículas que constituyen la materia oscura, que comprende la mayor parte de la materia del universo. También pueden tener lugar descubrimientos más extraños, señales de la existencia de dimensiones adicionales, por ejemplo.
Funcionamiento de las colisiones
Cada paquete, de hasta 100.000 millones de protones, tiene el tamaño de un alfiler y escasos centímetros de longitud; se comprimen en los puntos de colisión a unas 16 micras de diámetro, como el más fino de los cabellos humanos. Estos alfileres se cruzan en cuatro puntos del anillo, donde se producen más de 600 millones de colisiones de partículas por segundo. Hablando con propiedad, las colisiones se producen entre las partículas que componen los protones: quarks y gluones. El más violento de los choques libera aproximadamente una séptima parte de la energía disponible en los protones padres, unos 2 TeV.
Capacidad de procesamiento
Las primeras estimaciones de la capacidad de procesamiento de datos necesaria para extraer resultados de los experimentos del LHC se realizaron en 1999. Se dedujo de estos estudios que desplegar dicha capacidad en un solo centro resultaba imposible, incluso para el CERN. Entonces surgió la idea de acometer la computación del LHC de igual modo que la construcción de los detectores: de manera distribuida pero integrada.
Selección de datos
Cuatro detectores gigantes hacen el seguimiento de los miles de partículas arrojadas por cada colisión y miden sus propiedades.
Los casi 100 millones de canales de datos de cada uno de los dos mayores detectores llenarían miles de CD’s por segundo. La imposibilidad de grabarlo todo, requiere emplear sistemas de selección y de adquisición de datos.
El sistema de selección que reduce esta avalancha de datos a proporciones manejables tiene múltiples niveles:
El primer nivel recibe y analiza datos de sólo un subconjunto de los componentes del detector. De esa selección de primer nivel se encargan cientos de ordenadores, dedicados por entero a esa tarea e incorporados en el instrumental. Escoge 100.000 paquetes de datos por segundo, que se analizarán con más detalle en la siguiente etapa, la selección de más alto nivel. Actúan como grandes filtros de correo basura. Descartan inmediatamente la mayor parte de la información; cada segundo envían al sistema de computación central, para su archivo y posterior análisis, sólo los datos de los 1.000 sucesos que parecen más prometedores.
El sistema de selección de más alto nivel recibe datos de todos los millones de canales del detector. De ahí, se seleccionan sucesos prometedores basándose en diversos criterios; por ejemplo, que se haya observado un muón energético saliendo con un gran ángulo respecto al eje del haz.
Gestión de datos mediante malla digital (Grid)
La implantación de la malla para el LHC ha tomado en cuenta las realidades de un entorno que gestiona millones de gigabytes por año. La malla digital del LHC está constituida por varias coronas o niveles o "tiers":
El nivel 0 está en el propio CERN y en su mayor parte consta de miles de procesadores de computadores comerciales apilados, una fila sobre otra, en estantes. El sistema de selección de más alto nivel pasa cerca de 100 sucesos por segundo al distribuidor de la red de recursos informáticos global del LHC. Los datos que pasan al nivel 0 desde los sistemas de toma de datos de los cuatro experimentos del LHC se archivan en cinta magnética. Quizá parezca un método desfasado, una solución rudimentaria en esta época de discos DVD-RAM y otros artefactos modernos, pero los responsables afirman que se trata del método más rentable y seguro.
El nivel 1 está constituido por 12 centros, denominados Tier-l que reciben datos del nivel 0 y gestionan los procesos automatizados, reconstruyen y calibran los datos brutos de los detectores y los clasifican en categorías. Los 12 centros de nivel 1 se encuentran en el propio CERN y en 11 centros más de Estados Unidos, Europa, Asia y Canadá, como el Fermilab, el Laboratorio Nacional de Brookhaven, el Puerto de Información Científica (PIC) en la Universidad Autónoma de Barcelona. Existen dos copias de los datos sin procesar, una en el CERN y otra repartida por todo el mundo. Cada uno de los centros de nivel 1 almacena también un conjunto completo de los datos en forma compacta y estructurada para que los físicos lleven a cabo sus análisis.
Unos cien centros Tier-2 constituyen el nivel 2, alojan los subconjuntos de datos preseleccionados y reciben trabajos de análisis de los físicos. Dado que la carga impuesta por los físicos en un centro Tier-2 es muy variable, cualquier capacidad de cálculo que no encuentre demanda se utiliza en las grandes simulaciones necesarias para extraer física de los datos.
Finalmente, el nivel 3 está formado por grupos de físicos en universidades e institutos de investigación, que disponen de una batería de ordenadores locales, para análisis interactivo con programas similares a hojas de cálculo pero capaces de gestionar cientos de gigabytes.
Noticia del 14 de febrero de 2012. El LHC aumenta su energía.
Tras dos años de experiencia y con medidas adicionales de seguridad, el CERN ha decidido aumentar la energía del LHC de forma que esté en condiciones de proporcionar la máxima cantidad posible de datos en 2012, antes de que el acelerador entre en una larga parada técnina para preparar su funcionamiento a una energía aún mayor. Pulse aquí para leer toda la noticia.
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