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DETECTA COLISIONADOR DE HADRONES, PRIMEROS CHOQUES DE PROTONES

Tras reiniciar sus operaciones en Suiza, el acelerador de partículas más grande del mundo, llamado LHC (siglas en inglés de Large Hadron Collider, o Gran Colisionador de Hadrones) registró esta semana las primeras colisiones entre núcleos de hidrógeno (protones) en los cuatro experimentos principales, entre ellos ALICE, en el que participa la UNAM.

“Recibir los primeros resultados de una colisión significa que el equipo está funcionando y nos permite probar los primeros detectores, porque hasta ahora sólo teníamos simulaciones de cómo iban a funcionar. Es un éxito para la física mundial, porque estamos más cerca de descubrir los secretos más íntimos sobre la estructura de la materia”, afirmó Arturo Menchaca Rocha, investigador del Instituto de Física (IF) de esta casa de estudios, y colaborador del experimento científico.

En el proyecto, que recrea las condiciones primigenias que produjeron el Big Bang o Gran Explosión que dio origen al Universo, participan, por parte de la Universidad Nacional, investigadores y estudiantes de los institutos de Física, y Ciencias Nucleares (ICN), con apoyo de la Coordinación de la Investigación Científica y el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

Perteneciente al Consejo Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), el LHC está instalado en Ginebra, Suiza, y opera un túnel circular de 27 kilómetros de circunferencia, dentro del que colisionan protones (partículas subatómicas) a energías de 14 TeV.

“Un TeV equivale a un millón de millones de veces la energía de un cuanto de luz visible. El CERN es un laboratorio impresionante donde siete mil científicos de más de 60 países desarrollan la tecnología más avanzada para estudiar a los constituyentes más elementales de la materia, así como a las fuerzas que median entre ellos”, añadió Menchaca.

Recreando la sopa primitiva

En el túnel del LHC operan dos mil imanes muy potentes, cuya función es acelerar y confinar una ráfaga de núcleos de plomo para chocar contra otros núcleos de átomos de plomo.

Cada colisión núcleo-núcleo libera dos esferas con 82 protones y 126 neutrones cada una, las cuales al chocar se destruyen y liberan miles de partículas subatómicas, llamadas quarks y gluones, que reproducen la “sopa primitiva”, el estado inicial de la materia.

“Los quarks y gluones no salen de la zona de interacción y están concentrados entre sí; lo que sale son las partículas sobrantes, como los hadrones y leptones, que no tienen color. Por un instante, la energía está tan concentrada que los quarks y gluones forman una región en donde tienen una dinámica más compleja de la habitual dentro de un núcleo. Son fracciones de segundos, pero suficientes para producir información que nos permita estudiar la dinámica cuántica”, detalló el físico, galardonado en 2004 con el Premio Nacional de Ciencias y Artes.

A partir de la presencia de las partículas sobrantes, los físicos detectan la actividad de esas partículas subatómicas. “A los protagonistas no los vemos, los inferiremos. Por momentos forman ese plasma con una dinámica compleja, que nos interesa estudiar, y es semejante al momento que inició el Universo”, dijo el especialista.

Dos detectores mexicanos

El experimento ALICE (A Large Ion Collider Experiment), uno de los cuatro grandes que constituyen al LHC, tiene 20 detectores de partículas, dos de ellos mexicanos: el V0A y ACORDE, diseñados y construidos por académicos de la UNAM, el Centro de Investigación y Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), y la Benemérita Universidad de Puebla (BUAP), entre otras instituciones nacionales.

Ambos son detectores de centelleo y son plásticos, pero sus funciones y desarrollos son independientes.

En el túnel del LHC, se han ubicado cuatro puntos con equipos que medirán diferentes fenómenos. El detector V0A, construido en el IF de la UNAM, está en uno de esos puntos, dentro de ALICE. El detector ACORDE también forma parte de ALICE, y forra a su gran imán.

“ACORDE se utiliza cuando no hay haz de luz para calibrar al detector, y para lograrlo usa los rayos cósmicos que llegan al experimento ALICE”, detalló Menchaca.

El V0A participa en un trabajo de “gatillo”, y avisa con el centelleo al resto de los detectores el momento adecuado en que suceden las colisiones de interés.

Luego de ocho años de planes y cuatro de diseño y construcción, en el taller del IF se hizo realidad el detector V0A. Al inicio el proyecto estuvo a cargo de Gerardo Herrera, del Cinvestav, y luego bajo responsabilidad del IF de la UNAM, dentro del Grupo Experimental Nuclear y de Altas Energías, formado por Rubén Alfaro, Ernesto Belmont, Varlen Grabski, Arnulfo Martínez, Arturo Menchaca y Andrés Sandoval.

En el acelerador mexicano ACORDE, participó Guy Paic, del ICN, quien trabajó con expertos del Cinvestav, y con Arturo Fernández y su grupo de la BUAP.

Una avería en los imanes

Hace poco más de un año, el LHC operó por un tiempo, pero se estropeó por problemas en uno de sus dos mil imanes, que se encargan de mantener las partículas describiendo una órbita circular.

“Las bobinas de esos imanes deben ser superconductoras, pues de otra manera la órbita de las partículas sería mucho mayor de los 27 kilómetros que tiene de diámetro el túnel.

“La resistencia eléctrica de los conductores es una función de la temperatura, pero algunos de ellos, cuando son enfriados a temperatura muy baja, muestran el fenómeno de la superconductividad, es decir, su resistencia eléctrica se hace cero a partir de un punto, lo que permite que por ellos pasen grandes corrientes eléctricas sin calentarse. Para tal efecto, el embobinado de esos imanes debe estar inmerso en un fluido enfriador, en este caso, helio líquido”, explicó.

El problema que enfrentó el LHC es que la corriente eléctrica necesaria para iniciar ese proceso debe suplirse desde el exterior y, si en ese proceso hay una mala conexión eléctrica, se producen calentamientos que llegan a fundir los materiales, que fue lo que ocurrió en uno de los dos mil imanes. Al calentarse, su bobina se fundió en un punto por donde se fugó el helio, lo que elevó la temperatura y desapareció súbitamente el fenómeno de la superconductividad.

El cambio fue tan violento, que 30 imanes aledaños resultaron afectados, además de la propia pérdida de una cantidad importante de helio, que es un fluido muy costoso. Así, hace un año el proceso de reparación inició con una inspección para entender el problema.

Luego se cambiaron los 30 imanes y se tuvieron que revisar las conexiones de alimentación de los dos mil imanes hasta asegurarse que no quedaban malos contactos.

Desde hace dos meses se han realizado pruebas de transporte de los haces de partículas, por los diversos sectores a los largo de los 27 kilómetros del LHC. El 20 de noviembre se logró el paso de protones girando en un sentido, y los días siguientes el transporte simultáneo en ambos sentidos.

Esta semana, los cuatro experimentos reportaron la observación de las primeras colisiones protón-protón. Estas pruebas se están realizando a una energía más baja de lo planeado (0.9 TeV), que se irá incrementando poco a poco en los próximos días, concluyó el científico.

Fuente: Boletín UNAM-DGCS-701

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Física y Química

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