¿Cómo hacen un seguimiento de las partículas en el LHC?

Como sabe cualquiera que tenga un cajón de chatarra, es difícil hacer un seguimiento de los pequeños objetos efímeros. Juras que tenías tachuelas, tienen que estar metidas allí en alguna parte, ¿verdad? Junto con el pegamento? ¿O están en esa gran caja de suministros de oficina que también tiene algunas piezas aleatorias de equipos de televisión viejos, además de las tijeras que usas para esquilar al perro todos los veranos? Y, eh, todas las fotos de tu boda también están en esa caja. ¿Tal vez harías un mejor seguimiento de ellos si estuvieran en el cajón de basura? En ellos van.

Lidiar con todo ese lío aleatorio podría generarle cierta simpatía por los físicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear. (Que se abrevia como CERN, en un confuso giro de los acontecimientos que tiene que ver con una traducción del francés al inglés). Los científicos del CERN son las chicas inteligentes que dirigen el Gran Colisionador de Hadrones, que acortaremos a mucho más LHC práctico. El LHC es el gran acelerador de partículas ubicado en las profundidades de la campiña suiza, donde los físicos confirmaron la existencia del bosón de Higgs, una partícula subatómica que llevó a los científicos a comprender más acerca de cómo la materia gana masa en el universo.

La palabra clave aquí es «subatómica». Decir que los científicos del CERN están observando las cosas a pequeña escala es una gran subestimación. No solo están viendo dos protones, las partículas subatómicas en sí mismas, chocar entre sí, sino que también están intentando trazar los desechos subatómicos que salen volando cuando sucede. Para los no iniciados, puede parecer simplemente un cajón de chatarra de partículas diminutas, diminutas y que se mueven rápidamente… que, además de ser tan pequeñas, se descomponen casi más rápido de lo que puede detectarlas.

Recorramos todo ese proceso de descomposición de moscas arrojadizas para tener una idea de qué es lo que los científicos tienen que seguir. En el LHC, los protones corren alrededor de una pista circular a casi la velocidad de la luz. Y no solo están listos para cerrarse en cualquier momento. Los científicos del CERN tienen que enviar un haz de protones al LHC enviando gas hidrógeno a un duoplasmatrón, que elimina los electrones de los átomos de hidrógeno, dejando solo protones. [source: O’Luanaigh].

Los protones entran en LINAC 2, el primer acelerador del LHC. LINAC 2 es un acelerador lineal que utiliza campos electromagnéticos para empujar y jalar protones, lo que hace que se aceleren. [source: CERN]. Después de pasar por esa primera aceleración, los protones ya están viajando a 1/3 de la velocidad de la luz.

Luego entran en Proton Synchrotron Booster, que consta de cuatro anillos. Grupos separados de protones corren alrededor de cada uno, mientras se aceleran con pulsos eléctricos y se dirigen con imanes. En este punto, se mueven al 91,6 por ciento de la velocidad de la luz, y cada grupo de protones se aprieta más entre sí.

Finalmente, son arrojados al Sincrotrón de Protones, ahora en un grupo más concentrado. [source: CERN]. En el Sincrotrón de Protones, los protones circulan alrededor del anillo de 628 metros (2060 pies) a aproximadamente 1,2 segundos por vuelta, y alcanzan más del 99,9 por ciento de la velocidad de la luz. [source: CERN]. Es en este punto que realmente no pueden ir mucho más rápido; en cambio, los protones comienzan a aumentar en masa y se vuelven más pesados. Entran en el superlativamente llamado Super Proton Synchrotron, un anillo de 4 millas (7 kilómetros), donde son acelerados aún más (lo que los hace aún más pesados) para que estén listos para ser disparados hacia los tubos de rayos del LHC.

Hay dos tubos de vacío en el LHC; uno tiene el haz de protones viajando en una dirección, mientras que el otro tiene un haz corriendo en la dirección opuesta. Sin embargo, en los cuatro lados del LHC de 27 kilómetros (16,5 millas), hay una cámara detectora donde los rayos pueden cruzarse entre sí, y ahí es donde ocurre la magia de la colisión de partículas. Ese, finalmente, es nuestro cajón de desorden subatómico.

«Divertido», podrías estar pensando. «Esa es una historia genial sobre la aceleración de partículas, hermano. Pero, ¿cómo saben los físicos a dónde van las partículas en el acelerador? ¿Y cómo diablos pueden hacer un seguimiento de la colisión de escombros para estudiarla?»

Imanes, yo. La respuesta es siempre imanes.

Para ser justos, en realidad es solo la respuesta a la primera pregunta. (Llegaremos al segundo en un segundo.) Pero los imanes fríos realmente gigantescos evitan que las partículas se dirijan en la dirección equivocada. Los imanes se vuelven superconductores cuando se mantienen a una temperatura muy baja: estamos hablando de más frío que el espacio exterior. Con los imanes superconductores, se crea un fuerte campo magnético que dirige las partículas alrededor del LHC y, finalmente, entre sí. [source: Izlar].

Lo que nos lleva a nuestra siguiente pregunta. ¿Cómo realizan los científicos un seguimiento de las partículas que resultan del evento de colisión? «Pista» en realidad se convierte en una palabra reveladora en nuestra explicación. Como puede imaginar, los físicos no solo están viendo una pantalla grande de televisión, cambiando entre una exhibición de fuegos artificiales de protones y reposiciones de «Star Trek». Cuando observan carreras y colisiones de protones, los científicos en su mayoría observan datos. (No datos). Las partículas de las que «mantienen un seguimiento» después de las colisiones en realidad no son más que pistas de datos que pueden analizar.

Uno de los detectores en realidad se llama dispositivo de seguimiento, y realmente permite a los físicos «ver» el camino que tomaron las partículas después de chocar. Por supuesto, lo que están viendo es una representación gráfica de la trayectoria de la partícula. A medida que las partículas se mueven a través del dispositivo de rastreo, las señales eléctricas se registran y luego se traducen a un modelo de computadora. Los detectores de calorímetros también detienen y absorben una partícula para medir su energía, y la radiación también se usa para medir aún más su energía y masa, reduciendo así la identidad de una partícula en particular.

Esencialmente, así es como los científicos pudieron rastrear y atrapar partículas durante y después del proceso de aceleración y colisión cuando el LHC realizó su recorrido más reciente. Sin embargo, un problema era que, con tantas colisiones por segundo (estamos hablando de miles de millones), no todos los protones que chocaban eran realmente tan interesantes. Los científicos necesitaban encontrar una forma de separar las colisiones útiles de las aburridas. Ahí es donde entran los detectores: detectan partículas que parecen interesantes, luego las ejecutan a través de un algoritmo para ver si merecen una mirada más cercana. [source: Phoboo]. Si necesitan un examen más detenido, los científicos se ponen a ello.

Cuando el LHC se vuelva a encender en 2015, habrá incluso más colisiones que antes (y el doble de energía de colisión) [source: Charley]. Cuando eso suceda, el sistema que activa una bandera de «oye, miren esto» para los físicos contará con una actualización: se realizarán selecciones más afinadas para avanzar más allá de la primera etapa, y luego todos esos eventos se analizarán por completo. .

Por lo tanto, permanezca atento para obtener más información sobre cómo los físicos rastrean partículas en el LHC; las cosas pueden cambiar por allí casi a la velocidad de la luz.