Presentacion

GRAN COLISIONADOR DE HADRONES

TALLER DE CIENCIAS

Nombre: Ana María Sanabria Clavijo

Fecha: 18 de septiembre de 2012

Universidad de Ibagué (CERES) Lérida, Tolima

El LHC es la versión más actual de una serie de experimentos que se iniciaron con Lord Rutherford encaminados a conocer la estructura de la materia. En un celebérrimo experimento, bombardeó con partículas alfa una delgada lámina de oro. Su sorpresa fue encontrar que el átomo era una estructura prácticamente vacía con un pequeño núcleo en su centro. El LHC pretende hacer algo similar con los protones. Durante años los protones se consideraron partículas elementales, y como tales indivisibles. A mediados del siglo XX se supo que no era así. Varios de los más eminentes físicos del periodo que va de l960 a l975 fueron elaborando un modelo que permitiese explicar la constitución de la materia y sus leyes. El resultado de todo ello fue un desarrollo teórico conocido como cromodinámica cuántica (QDC), que desembocó en el llamado modelo estándar.

El modelo estándar establece que todo cuanto conocemos está formado por dos tipos de partículas y sus correspondientes antipartículas: los quarks y los leptones que interactúan entre sí por medio de tres tipos de fuerza (electromagnética, nuclearfuerte y electrodébil). Estas fuerzas o interacciones son trasmitidas por partículas especializadas llamadas bosones.De acuerdo con el modelo, estos tres tipos de interacciones al nivel más fundamental son las tres formas de manifestarse de una fuerza única. La otra gran fuerza de la naturaleza es la gravedad que queda fuera del modelo estándar. La gravedad es explicada por la teoría general de la relatividad. La lógica nos dice que debe existir una teoría más fundamental que unifique todas las fuerzas, que se convertiría en la Teoría de la Gran Unificación (TGU). Algunos de los mejores cerebros están dedicando sus esfuerzos a la búsqueda de una TGU. El propio Einstein dedicó a ello más de 30 años de forma infructuosa. Hay varias líneas abiertas (supercuerdas, teoría M, gravitación cuántica, etc.) pero parece que estamos lejos de encontrarla. Los fí-sicos se encuentran en la misma situación que los caballeros del rey Arturo en la búsqueda del Santo Grial.

Según el modelo estándar (desde ahora ME) los seis tipos de quarks (y sus correspondientes antiquarks) no se presentan de forma individual, sino que forman agrupaciones, que es lo que conocemos como hadrones. La materia ordinaria está formada por sólo dos tipos de quarks: quark u (up o arriba) y quark d (down o abajo), que se agrupan formando tripletes. El protón está formado por dos quark u y un quark d; el neutrón por dos quark d y un quark u. El quark u tiene carga eléctrica +2/3 y el d –l/3, de ahí que la carga del protón sea 2/3+2/3–l/3= +l y la del neutrón 2/3–l/3–l/3 = 0. Los otros cuatro tipos de quarks sólo se presentarían como constituyentes de partículas supermásicas, para lo que se necesitan condiciones energéticas muy elevadas que ni siquiera se alcanzan en el centro de las estrellas comunes como el Sol. Esta energía sólo se da en casos muy especiales (estrellas de neutrones, quásares y en algún otro objeto exótico) o tal vez en formas de la materia nunca observadas. Condiciones tan energéticas también debieron darse en los primeros instantes del Big Bang que dio lugar a nuestro Universo. Algo similar ocurre con los transmisores de fuerza o bosones. Sólo el fotón puede ser observado fácilmente. Para detectar los otros bosones (Z, W, g) se requieren energías enormes. Por medio de aceleradores cada vez más potentes se han ido detectando los distintos tipos de quarks y los bosones. El último fue el quark t (top o cima) cuyo descubrimiento, en el acelerador Tevatrón del Fermilab, se anunció en l995.

Los seis experimentos del LHC están a cargo de la colaboración internacional, que reúne a científicos de institutos de todo el mundo. Cada experimento es distinto, caracterizado por su detector de partícula única.

Los dos grandes experimentos, ATLAS y CMS, se basan en detectores de propósito general para analizar la mirada de partículas producidas por las colisiones en el acelerador. Están diseñados para investigar la más amplia gama de posibilidades físicas. Tener dos detectores diseñados de forma independiente es vital para la confirmación de nuevos descubrimientos realizados.

Dos medianos experimentos, ALICE y LHCb, tienen detectores especializados para el análisis de las colisiones del LHC en relación con los fenómenos específicos.

Dos nuevos experimentos, Totem y LHCf, son mucho más pequeños en tamaño. Están diseñados para centrarse en "forward" partículas (protones o iones pesados). Se trata de partículas que apenas rozando entre sí como los rayos, chocan entre sí, en lugar de chocar de frente.

El ATLAS, CMS, ALICE y LHCb detectores se instalan en cuatro enormes cavernas subterráneas ubicadas alrededor del anillo del LHC. Los detectores utilizados por el experimento TOTEM están posicionados cerca del detector CMS, mientras que los utilizados por LHCf están cerca del detector ATLAS.

ALICE

Para el experimento ALICE, el LHC colisiona iones de plomo para recrear las condiciones justo después del Big Bang, en condiciones de laboratorio. Los datos obtenidos permitirán a los físicos estudiar el estado de la materia conocido como plasma de quarks y gluones, que se cree que han existido poco después del Big Bang.

Toda la materia ordinaria en el Universo actual se compone de átomos. Cada átomo contiene un núcleo compuesto de protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Los protones y los neutrones están a su vez hechos de quarks que están unidas entre sí por otras partículas llamadas gluones. Este vínculo muy fuerte significa que los quarks aislados nunca se han encontrado.

Las colisiones en el LHC generarán temperaturas de 100.000 veces más caliente que el centro del sol. Los físicos esperan que en estas condiciones, los protones y los neutrones se "derriten", liberando los quarks de sus vínculos con los gluones. Esto debería crear un estado de la materia llamado plasma de quarks y gluones, que probablemente existió justo después del Big Bang, cuando el Universo era aún muy caliente. La colaboración ALICE planea estudiar el plasma de quark-gluón ya que se expande y se enfría, la observación de la forma en que da lugar progresivamente a las partículas que constituyen la materia de nuestro universo actual.

Una colaboración de más de 1.000 científicos

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