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CONFERENCIAS



                          EL CERN
                    EL GRAN COLISIONADOR
                         DE HADRONES


                              Por Juan Antonio Rubio
                           Director General del CIEMAT

El profesor Juan Antonio Rubio presenta en esta conferencia el proyecto del Gran
Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación
Nuclear (CERN). Repasa la historia científica y tecnológica de la Organización, el
proyecto mismo y su situación actual, los experimentos que se llevarán a cabo en la
instalación y sus expectativas científicas. Asimismo, hace una breve mención a futuros
aceleradores que hereden el protagonismo del LHC en el mundo de la Física de
                                        Partículas.

                        Fundación Ramón Areces, 15 de enero de 2009




eL tema objeto deL títuLo es de indudable      El LHC (Large Hadron Collider), construido
actualidad: El CERN y el LHC. Ambos, y         utilizando la casa de LEP (Large Electron
otros ligados a ellos, constituyeron mi tra-   Positron collider), es el último de los
bajo cotidiano desde mis últimos tiempos       colisionadores de partículas del Laboratorio
previos en el CIEMAT (antes JEN) hasta         y en su momento el más avanzado del
recientemente, cuando el Gobierno español      mundo (Fig. 1), constituye un proyecto de
me nombró Director General del Centro, en      complejidad tecnológica sin precedentes,
2004.                                          cuya operatividad desde el momento de

                                                                                        45
su gestación, habrá tardado el equivalente a                                                          Creación del CERN
media carrera de un profesional, del orden
de 20 años.                                                                                           Las primeras propuestas para la creación         Se pretende progresar en el
                                                                                                      del CERN las hicieron eminentes físicos
El objetivo es colisionar haces de protones                                                           y también políticos con visión europeísta,       conocimiento no sólo de
circulando en sentidos opuestos. Las                                                                  poco después de finalizar la Guerra Mundial.
interacciones tienen lugar en cuatro puntos                                                           En 1949 Louis de Broglie propuso construir
                                                                                                                                                       la estructura íntima de la
de colisión, a la altura de los haces, y en                                                           “…un laboratorio o institución donde sea         materia y las fuerzas entre sus
promedio, cerca de cien metros bajo tierra.                                                           posible hacer ciencia, pero más allá del marco
Del análisis de los datos obtenidos con ellos                                                         de los diferentes Estados participantes (…)      componentes elementales,
se pretende progresar en el conocimiento no        Figura 1. El Gran colisionador de Hadrones         una colaboración en este campo sería más
sólo de la estructura íntima de la materia y las   (LHC) en el túnel del LEP                          fácil debido a la verdadera naturaleza de la
                                                                                                                                                       sino también del origen del
fuerzas entre sus componentes elementales,                                                            ciencia”(…)”este tipo de cooperación serviría    Universo en el marco del
sino también del origen del Universo en el                                                            también a otras disciplinas (…)”. Una vez
marco del Modelo de la Gran Explosión.                                                                más la ciencia volvía a ser protagonista de la   Modelo de la Gran Explosión
                                                                                                      superación de barreras nacionales, incluso en
Los haces de protones están animados de una        cuya intensidad es de aproximadamente              una época en la que aún estaban muy recientes
energía de 7 GeV, algo más de siete mil veces      12.000 amperios y circulan dentro de un            los rescoldos de la terrible confrontación
su masa en reposo, lo que permitirá analizar       tubo en que se ha hecho un vacío inferior          bélica. Los científicos europeos, ayudados
las interacciones entre sus componente             a la cien mil millonésima parte de torr, que       por estadounidenses, muchos con el mismo
elementales, los quarks, cuya dimensión es         es un vacío interestelar, refrigerados hasta 1,9   origen, deseaban también frenar la diáspora      Breve y resumida historia del CERN
inferior a una trillonésima de metro.              grados kelvin, que en la actualidad supone         hacia Estados Unidos. Otro ejemplo de
                                                   la temperatura más baja del Universo en            estos últimos fue Isidor Rabi, esencial en       entre 1954 y 1957 comenzaron los trabajos
El LHC utiliza gran parte de los 27 kilómetros     volúmenes considerables. Los haces están           la organización de todo el proceso para          de la División de Teoría, se construyó el
del túnel en imanes que mantienen los haces        formados por 2.880 paquetes, cada uno              la creación del Laboratorio, en el marco         sincrociclotrón de protones y se realizó
girando en el acelerador siguiendo órbitas         con aproximadamente cien mil millones              de la UNESCO, en donde se depositó su            el primer experimento con repercusión
circulares, con la dimensión necesaria, a          de protones y su dimensión transversal es          Convención. Entre otros científicos más          mundial, estudiando la desintegración
una velocidad muy cercana a la de la luz,          del orden de 1 milímetro y aún menor en            protagonistas del proceso citaremos a P.         leptónica del pión, que probó la universalidad
aproximadamente diez mil vueltas por               los puntos de interacción, del orden de una        Auger, E. Amaldi y L. Kowalski.                  de la interacción débil.
segundo. (Anecdóticamente mencionaremos            centésima de milímetro. La energía total que
que, como el CERN está situado en los              transporta el haz en las interacciones, a pesar    Como consecuencia el CERN inició sus             En 1959 se terminó el sincrotrón de proto-
territorios de Francia y Suiza, los aduaneros      de estar formado por partículas cuya masa es       actividades en 1954, siendo el Organismo         nes y se comenzó la medida del momento
de ambos países seguro que lo han intentado        del orden de la cuatrillonésima de gramo, es       promotor de la Física de Altas Energías en       magnético anómalo del leptón μ, confir-
pero no pueden controlarlas).                      equivalente a la energía cinética de un avión      Europa, no solo mediante la construcción         mando la validez de la teoría de interaccio-
                                                   Jumbo en el momento de su despegue. En             de aceleradores sino también estudiando la       nes electromagnéticas, la electrodinámica
Todos los imanes mencionados son                   resumen, el LHC es una instalación que ha          radiación cósmica.                               cuántica, debida a R. Feynman. Este sería un
superconductores y los dipolares que curvan        requerido inmensos desarrollos tecnológicos                                                         experimento que duraría muchos años, lle-
las trayectorias tienen una intensidad de          en prácticamente todas las tecnologías de          Fue la primera iniciativa conjunta europea,      gando a obtenerse precisiones altísimas en la
campo magnético de siete teslas (cientos de        vanguardia lo que ha además ha tenido un           pero sus pioneros habían pensado más allá,       confirmación de la validez experimental de
miles de millones de veces superior a la del       efecto social sin precedentes, como luego          con amplia visión de nuestro continente.         la teoría.
campo magnético terrestre) y en cada punto         explicaremos.                                      Constituye otro ejemplo de una de las
de colisión se generan ochocientos millones                                                           cualidades esenciales de la ciencia, puesta      Entre 1961 y 1965 se construyeron los
de colisiones por segundo. Estos imanes            Dedicaremos unos párrafos al CERN, su              en práctica una y otra vez: su constante         primeros anillos de almacenamiento
dipolares están activados por corrientes           historia, sus logros y su futuro previsible:       contribución a la paz.                           del mundo, CESAR (CERN Electron

46   FRA                                                                                                                                                                                          47
Storage and Accumulation Ring), y se              CERN, tan silenciosamente como se había
adquiere el primer gran ordenador de la           adherido a ella, en un momento en el que
Organización, una CDC 6600.                       la comunidad científica española empezaba
                                                  a formarse. Las razones alegadas fueron
Hasta entonces los físicos habían utilizado       económicas pero entiendo que había otras
regla de cálculo e, incluso, el CERN contrató     de origen político. Por otro lado, éste era
en un circo a una persona capaz de operar         ya el momento en el que la diáspora se
de memoria con rapidez extraordinaria.            había detenido y, gracias al CERN, había
El ordenador humano se dedicó a hacer             comenzado el equilibrio en la movilidad
demostraciones semanales para el público en       científica entre Europa y Estados Unidos.
el auditorio principal, que solía llenarse. La
CDC me sufrió no pocas noches para realizar       Poco después, utilizando las cámaras desarro-
los cálculos necesarios en el análisis del        lladas por Charpak, se construye la instala-
experimento base de mi tesis de doctorado.        ción OMEGA, excelente banco de ensayos
Otro hecho, muy importante para nuestra           para múltiples experimentos y cuya utilidad
comunidad científica, es que España se            de extiende durante bastante más de una dé-
adhirió silenciosamente al CERN (1961) y          cada, y también se inicia la operación de los
entonces comenzó la formación de científicos      primeros anillos de colisión de la historia (In-
españoles de la especialidad.                     tersecting Storage Rings) que permitieron las
                                                  colisiones frontales entre haces de partículas,
En 1965 se inician las amplias colaboraciones     en este primer caso de protones de 30 GeV
internacionales, aprovechando que la tecno-       contra protones de igual energía, maqueta
logía de cámaras de burbujas es proclive a ello   del LHC.
y con estos detectores se obtiene una imagen                                                         En uno de ellos, el Espectrómetro Híbrido         El experimento estaba dirigido por el Premio
e información casi completa de las interac-       En 1973 la cámara de burbujas Gargamelle           Europeo (EHS), el grupo de partículas del         Nobel S. C. C. Ting y tuvo aportaciones
ciones entre partículas. Es entonces cuando       (Fig. 14), desarrollada fundamentalmente           CIEMAT tuvo una participación destacada,          muy relevantes, como el descubrimiento del
comienza la formación de experimentadores         por laboratorios franceses, detecta las            tanto en la cons-trucción del detector como       gluón y la predicción del valor de la masa
españoles en el CERN y los gérmenes de gru-       primeras interacciones puramente leptónicas        en el análisis de los datos. Fue la primera vez   de uno de los bosones intermediarios de las
pos en España.                                    con ausencia de hadrones sobre la base de las      que un grupo español aportó instrumenta-          interacciones electrodébiles, el Z.
                                                  interacciones de neutrinos (v), predicción         ción electrónica visible.
Entre 1968 y 1971 el físico del CERN              clave de las teorías de unificación electrodébil                                                     En 1982 el Gobierno español acordó la
Georges Charpak finalizaba el desarrollo          de S. L. Glashow, A. Salam y S. Weinberg,          También en ese periodo se construyeron            adhesión, o readhesión, al CERN, medida que
de un potente instrumento electrónico, la         que obtuvieron por ello el Premio Nobel            los experimentos CHARM y CDHS, que                fue confirmada el año siguiente por el nuevo
Cámara Proporcional Multihilos (MWPCh)            de Física en el año 1979. De no ser por su         analizaron la estructura de los protones y        Gobierno y ratificada casi unánimemente
que permitiría tomar datos sobre trayectorias     fallecimiento prematuro, A. Lagarrigue y Paul      neutrones utilizando haces de neutrinos.          por el Parlamento español.
de partículas cargadas con una frecuencia         Mousset hubiesen ampliado la aportación            Concluyeron que ambos tenían estructura,
altísima, del orden del millón por segundo.       europea a la lista de laureados con el Premio      confirmando los realizados con haces              Entre otras instalaciones S. M. el Rey de
Por este instrumento, básico para el              Nobel de Física.                                   de muones, y a sus componentes más                España visitó el experimento UA1, instalado
desarrollo y la construcción de los actuales                                                         elementales, que después se identificarían        en el Collider, unos anillos de colisión
detectores de interacciones, G. Charpak fue       En 1977 se terminó la construcción del Su-         como los quarks, se les llamó “partones”.         antiprotón protón, con energías de 450 GeV,
posteriormente galardonado con el Premio          persincrotrón de protones (SPS) de 300 GeV,                                                          que utilizaban una tecnología completamente
Nóbel de Física en 1992.                          después mejorado para alcanzar 450 GeV, y          En ese periodo el Grupo del CIEMAT                novedosa y que fueron construidos en
                                                  se construyeron varios detectores en el marco      participó en el modernísimo experimento           tiempo mínimo. Ambos estuvieron dirigidos
Casi simultáneamente, España se retira del        de amplias colaboraciones internacionales.         MARKJ del acelerador PETRA, en DESY.              por Carlo Rubbia. Las tecnologías del

48   FRA                                                                                                                                                                                        49
colisionador fueron desarrolladas por Simon      Hay más usuarios                                  tanto urbanístico como de servicios, en
Van del Meer. Utilizando ambos, C. Rubbia                                                          gran medida debido a él. En la Fig. 2 se in-
descubrió los bosones vectoriales Z y W          estadounidenses trabajando                        dican varios círculos que corresponden a los
que confirmaban definitivamente las teorías                                                        diferentes aceleradores, la mayor parte de
unificadas electrodébiles. Los dos obtuvieron    en el CERN que europeos                           ellos subterráneos aunque existan accesos
el Premio Nobel de Física ese mismo año, en      en los laboratorios                               desde varios lugares, en particular a las zonas
1984. UA1 fue el prototipo de los posteriores                                                      experimentales. La Fig. 2 muestra un esquema
detectores de partículas.                        de EE.UU.                                         del conjunto de ellos. En ella puede verse que
                                                                                                   el anillo del LHC está conectado con otros
En el entretiempo se estaba construyendo                                                           previos que hacen de inyectores del mismo,
un anillo de colisión electrón positrón, con                                                       de forma que no es un colisionador aislado
una energía inicial por haz de 100 GeV, con                                                        sino que utiliza las instalaciones previas de
posibilidades de ser incrementada. En él se                                                        diversas instalaciones de aceleración. Eso
realizaron cuatro experimentos: ALEPH,           se conoce como violación de la simetría CP,       ha servido no sólo para disminuir su coste y
DELPHI, L3 y OPAL, y en los tres primeros        que interpreta sus diferencias con la materia.    tiempo de construcción, sino también para
hubo una importante participación de grupos      Este último experimento también estuvo            incrementar su rendimiento.                       Figura 2. Conjunto de aceleradores
españoles, tanto en la construcción de los       dirigido por un Premio Nobel estadounidense,
detectores como en el análisis de los datos.     James Cronin. A partir de ese momento se          Otros resultados de la Organización son sus
Dos de los experimentos estaban dirigidos        realizaron otras importantes contribuciones       efectos industrial y educativo así como el
por Premios Nobel estadounidenses, Sam           científicas pero el protagonismo en el CERN       beneficio social de sus avances tecnológicos,     El LHC está principalmente constituido por
Ting y Jacques Steinberger; el equilibrio        estuvo en la terminación del LHC y sus            como se explica en secciones posteriores del      cavidades de aceleración de alta frecuencia
EEUU-Europa comenzaba a decantarse a             experimentos.                                     texto. En mi opinión faltan por alcanzar          (del orden de varios miles de millones de
favor de nuestro continente. Con LEP se                                                            otros objetivos que aparecen en la sección        hertzios), que permiten a los protones de
obtuvieron muchos e importantes resultados                                                         titulada: “consideraciones personales sobre el    los haces recuperar en cada vuelta la energía
entre los que destacaremos la determinación                                                        CERN”.                                            que pierden, pero también por numerosos
del número de componentes elementales            El CERN: sus principales logros                                                                     criostatos y bombas de vacío, para alcanzar y
(3 familias de 4 componentes) y la validez                                                         Ciertamente ya se vislumbran nuevos pro-          mantener los parámetros necesarios de forma
del Modelo Estándar, que interpreta en un        En medio siglo la parte más importante de         yectos, que también mencionaré, el futuro         que se obtenga la temperatura que requiere
único marco las interacciones electrodébiles     la visión de los fundadores del CERN se           previsible del CERN, y obviamente su pre-         su funcionamiento superconductor y no
y las fuertes, lo que conlleva una descripción   ha cumplido porque se ha convertido en el         sente, está íntimamente ligado al LHC. Es         se pierdan las partículas por interacciones
única de todas fuerzas con la excepción de la    laboratorio más importante de mundo, en           necesario, pues, aprovechar al máximo los         con las moléculas que puedan existir en los
gravitatoria.                                    donde se reciben científicos de la especialidad   resultados obtenidos con este dispositivo.        dos tubos por los que circulan los haces, así
                                                 de noventa países, superándose, además, el                                                          como por casi 10.000 imanes, en su mayoría
Desde mucho antes de terminar el LEP             equilibrio intercontinental, pues hay mas                                                           superconductores: 1.232 dipolos curvadores
(2002) se estaba construyendo el Large           usuarios estadounidenses trabajando en el                                                           de las trayectorias; 392 imanes cuadripolares,
Hadron Collider. Entre la finalización del       CERN que europeos en los laboratorios de          Detalles sobre el CERN y LHC                      que sirven para focalizar los haces en un
LEP y el inicio y progreso del LHC, con sus      EEUU. Otra de la contribuciones a la paz                                                            plano, y 2.500 correctores de trayectoria
experimentos, el CERN también ha llevado         fueron las colaboraciones con España, la ex-      En el CERN trabajan 2.400 personas de staff       multipolares, todos superconductores. Exis-
a cabo otras importantes contribuciones          Unión Soviética y con China mucho antes de        y 800 becarios y profesores asociados, todos      ten asimismo 1.800 conversores de potencia,
científicas. Mencionaremos, por su especial      que hubiese una apertura hacia estos países.      temporales. Recibe una población de 7.000         de 60 amperios a 24.000. En total se
relevancia, los dedicados al estudio de la       Hay otros ejemplos pasados y en curso.            usuarios visitantes que pertenecen a 70 países    utilizan 120 toneladas de helio y 10.000 de
antimateria, la construcción de una factoría                                                       asociados o colaboradores y a los 20 Estados      nitrógeno licuado, enfriadas a temperaturas
de antimateria que permitió estudiar y           El CERN es prácticamente una ciudad pero          miembros. Su presupuesto, estable desde           superconductoras y el primero de ellos en
almacenar antiprotones y la medida de lo que     en torno suyo ha habido un gran desarrollo,       1980, es de 750 millones de euros anuales.        forma superfluida. La corriente circula por

50   FRA                                                                                                                                                                                        51
7.000 km de cable superconductor de niobio
titanio, de 15 x 1,5 mm, constituido por
32 fibras de 6.000 filamentos del material
referido. La longitud total de filamento es
equivalente a más de 6 veces la distancia
de ida y vuelta entre la tierra al sol. Como
anécdota mencionaremos que las fibras
podrían transportar 2 MW de potencia
aunque aumentando las condiciones de
voltaje puede conseguirse transportar una
potencia significativamente mayor.                 Figura 3. Dipolo de curvatura                            Figura 4. Interconexión entre imanes, con y sin cobertura

La Fig. 3 muestra la imagen de un dipolo
de curvatura. En ella puede observarse
una cubierta de hierro, dentro de la cual          Posteriormente se probó cada uno de los
se mantiene una temperatura de 70 grados           subsectores, trozos de círculo del LHC, a         También se rompieron las barreras que separan      chos casos se cierra la zona de interacción en
kelvin, que abraza la denominada “masa             bastante más alta energía, próxima ya al valor    los subsectores y las fuerzas originadas los       torno a la interacción mediante subdetecto-
fría”, cuya temperatura es la del helio líquido.   nominal (5 TeV). En el último de ellos, que       desplazaron, dañando cerca de una treintena        res situados en las partes anterior y posterior
Dentro de ella hay piezas que se llaman            se encuentra entre la población francesa de       de imanes. La sobrepresión de helio, aunque        del mismo, para detectar la energía de las
“collares”, que sujetan los dos tubos por los      St. Genis y el punto más profundo del túnel,      muy baja (del orden de la milésima de bar),        partículas que lo atraviesan si tener mecanis-
que circulan los haces, ya inmersos en helio       bajo las montañas del Jura, Echenevex, a las      fue capaz de arrancar una puerta blindada          mo para detectarlas, como los neutrinos. En
superfluido. Los tubos corresponden a los          11.00 se detectó una zona resistiva, donde se     del túnel. El helio gas invadió el túnel.          algunos el detector no cubre la totalidad del
canales de conducción de helio (en rojo), tanto    había perdido la superconductividad, entre                                                           ángulo sólido en torno a la interacción sino
a 4 K como superfluido, los conductos de           dos imanes bipolares, con uno cuadrupolar         En el momento de preparar esta conferencia         que se sitúan en uno solo de los hemisferios.
alimentación y las conexiones de alimentación      en medio, posiblemente en una interconexión       aún no se ha determinado el número exacto          En todos se utilizan campos magnéticos, en
y de instrumentación. Entre ellas están las        eléctrica, quizás originada por un mal            de imanes afectados ni la totalidad de daños       su mayoría superconductores, para curvar la
que controlan el buen funcionamiento de            contacto o soldadura. En ese momento la           ocasionados. También se están estudiando las       trayectoria de las partículas cargadas, distin-
los imanes. Las interconexiones entre imanes       corriente había alcanzado una intensidad de       medidas adicionales por adoptar para prevenir      guirlas y realizar medidas de la curvatura que
son complejas, de forma que el total sea un        8.400 A.                                          mejor este tipo de accidentes. Se estima que       permite una medida de su energía. Siempre
conjunto integrado superconductor de 27                                                              su ejecución durará unos seis meses.               se hace una selección electrónica y automáti-
km. La Fig. 4 muestra una de esas conexiones,      Apenas medio segundo después saltaron                                                                ca rápida de las interacciones, buscando, en-
con y sin cobertura.                               los convertidores de potencia, pero ya                                                               tre los mil millones de interacciones por se-
                                                   se había establecido un arco eléctrico en                                                            gundo que se producen en cada experimento
                                                   una de las interconexiones entre imanes.          Detectores del LHC                                 del LHC, aquellas que interesan en un expe-
                                                   Este arco eléctrico perforó la envoltura                                                             rimento concreto. En general el objetivo de
Incidente en la puesta a punto del LHC             del helio y, a pesar de que se activaron los      Como antes hemos referido, todos los de-           cada una de las capas del detector es el mis-
                                                   resistores de potencia, que son sistemas de       tectores instalados en los colisionadores de       mo. Primero se trata de detectar las partículas
El pasado día 10 de septiembre de 2009 co-         seguridad de la pérdida de las condiciones de     partículas tienen, desde el experimento UA1,       cargadas generadas en la interacción y realizar
menzaron las pruebas del LHC. Inicialmente         superconductividad, al cabo de 1 segundo la       la misma topología. Los subdetectores se ins-      una primera determinación de su trayectoria.
se probó la circulación de los haces, puesto       presión excedió la atmosférica, con lo cual los   talan cerca del punto de interacción de las        A continuación se determinan las partículas
que la energía fue de sólo 0,5 TeV, la misma       discos de seguridad situados entre grupos de      partículas del haz, en forma de capas, como        que interaccionan electrónicamente, más allá
que alcanza el SPS, en vez de los 7 TeV no-        imanes se abrieron y el helio se escapó desde     una cebolla. Con ello se trata de identificar      de las que tienen interacciones fuerte como
minales. El ensayo tuvo éxito.                     la cámara aislante al túnel.                      las partículas generadas en las interacciones,     protones, neutrones y piones cargados (los
                                                                                                     de qué tipo son y cuál es su energía. En mu-       neutros viven muy poco tiempo y se mate-

52   FRA                                                                                                                                                                                            53
Típicamente los                                  de interacciones fuertes, la cromodinámica
                                                 cuántica, que es parte integrante del Modelo
experimentos                                     Estándar.

multipropósito los                               típicamente Los experimentos multipropó-
realizan 1.500 científicos                       sito los realizan 1.500 científicos e ingenie-
                                                 ros de 150 instituciones, procedentes de 30
e ingenieros de 150                              países, y cuyo coste en material sobrepasa los
                                                 350 M euros, la gran parte de él aportado por
instituciones, procedentes                       los grupos colaboradores. Además el tamaño
de 30 países, y cuyo coste                       es inmenso (ATLAS es equivalente a un edi-
                                                 ficio de cuatro pisos que llenaría la Basílica
en material sobrepasa                            de Notre Dame de París) y todo el espacio
                                                 del detector está completamente lleno de
los 350 millones de euros                        componentes que han de ser emplazados con
                                                 precisión de centésimas de milímetro.
                                                                                                  Figura 5. Los cuatro detectores del LHC
                                                 En lo que sigue de esta sección nos referi-
                                                 remos al experimento CMS (Compact Muon           para los experimentos.                           Siempre se hace una
                                                 Solenoid) porque es en el que el CIEMAT tie-
                                                 ne una gran aportación.                          eL grupo deL ciemat ha construido                selección electrónica y
rializan en dos fotones). Y, finalmente, los                                                      una fracción importante de las cámaras de
muones, que atraviesan grandes cantidades        La Fig. 6 muestra la estructura del experimen-   detección de muones porque ya conocía
                                                                                                                                                   automática rápida de las
de materia antes de llegar al reposo y desapa-   to. Tiene un detector central como primera       la tecnología desde el experimento L3 de         interacciones, buscando,
recer por desintegración.                        capa, después un calorímetro electromagné-       LET y porque las interacciones con muones
                                                 tico y luego uno hadrónico. A continuación       tienen particular interés para la física         entre los mil millones de
En la Fig. 5 se muestran los cuatros detecto-    hay un gran imán superconductor de 4 teslas      buscada. Dichas cámaras, que son de deriva y
res construidos e instalados en el LHC. Dos      (el más grande e intenso del mundo), des-        utilizan argón y CO2 (85/35%), tienen una
                                                                                                                                                   interacciones por segundo
de ellos son multipropósito porque están         pués el hierro que cierra el campo magnético     resolución por celda mejor que un cuarto         que se producen en cada
preparados para detectar todas las interaccio-   y finalmente el detector de muones de varias     de mm, lo que finalmente se traduce en
nes de interés que se plantean en el nuevo       capas. Finaliza con otro imán.                   que se obtiene una precisión mejor del 10%       experimento del LHC
dominio de energía que cubrirá el colisiona-                                                      en la medida de la energía de los muones.
dor (ATLAS y CMS) y los otros dos están          La Fig. 7 muestra el camino seguido por          También el CIEMAT ha participado en la
especializados en determinar con precisión       las partículas procedentes de la interacción     electrónica del experimento así como en la
fenómenos poco abundantes en los primeros        y la forma de identificarlas. Como puede         simulación del análisis, y lo hará activamente
(LHCb y ALICE). LHCb tiene como obje-            verse las trayectorias espirales de los muones   en el mismo.
tivo principal determinar las razones de la      cambian de sentido después del hierro que
diferencia entre materia y antimateria, parti-   cierra el campo magnético interno porque         Además el CIEMAT ha participado en el de-
cularmente a través de la detección y medida     este también acaba en sentido opuesto.           sarrollo del nuevo sistema de almacenamien-
de partículas que contienen el quark b. El de                                                     to, transporte y análisis de datos (la GRID)
ALICE es determinar un nuevo estado de la        Todos los subdetectores están construidos        desarrollado para el LHC como banco de
materia en que los componentes elementales       utilizando las tecnologías que permiten          prueba para su utilización social futura como
se encontraban libres dentro de los protones     alcanzar las más altas precisiones de medida     un ingrediente fundamental de las nuevas
y los neutrones, estado predicho por la teoría   y que han sido desarrolladas expresamente        Tecnologías de la Información y las Comuni-

54   FRA                                                                                                                                                                   55
Figura 6. Estructura del experimento CMS                                                            Figura 7. Camino seguido por las partículas procedentes de la interacción




caciones (TIC) con repercusión muy amplia,       electrones pierden mucha energía en el campo       El desafío de los datos del LHC:                   anteriores, que permite pasar de 40 millones
como en el pasado tuvo la Web, desarrollada      al curvarse su trayectoria y se convierten en      La GRID                                            de Hz, que es la frecuencia con la que se
en el CERN. A ello nos referiremos en la sec-    espirales que se cierran.                                                                             cruzan los haces, a 7.500 Hz equivalentes,
ción siguiente, más adelante.                                                                       La cantidad de información que se espera           de forma analógica y sobre la base de la
                                                 En la segunda puede verse la complejidad           de los experimentos del LHC es inmensa.            información proporcionada por algunas
Las Figs. 8 y 9 muestran dos imágenes, una       de partículas producidas, por su número.           Se detectarán mil millones de interacciones        señales de los detectores. En una segunda
real, tomada con una cámara de burbujas (la      No obstante la mayor parte espiralizan             por segundo y la información por captar es         fase esa información puede disminuirse
de 2 m, del CERN) hace más de treinta años       rápidamente debido al campo magnético,             equivalente a 1 Petabyte (mil millones) por        utilizando procesadores integrados hasta
junto a su interpretación, y otra simulada en    muy intenso, y porque tienen baja energía.         segundo, la misma que generan cien mil telé-       5.000 Hz, y en una tercera, cuya duración es
un detector multipropósito del LHC.              Sin embargo aparecen cuatro de alta energía,       fonos funcionando constantemente durante           ya del orden del segundo, se puede disminuir
                                                 identificados como muones. Es ese un tipo          un año. Eso es, con mucho, imposible por           más por filtro de la información mediante
En la primera se observa la interacción          de interacción de las más buscadas ya que          ahora. Se hace necesario, pues, seleccionar        software convencional. El resultado es de 100
de un mesón K negativo (con uno de los           puede ser el resultado de la desintegración        electrónica e informáticamente la informa-         millones de bytes por segundo, que equivale
componentes que es un quark extraño) con         de un Higgs en dos bosones Z, que a su vez         ción para hacerla accesible (Fig. 10).             a 1 Petabyte por año. Es decir con métodos
uno de los protones del hidrógeno que llena      se desintegran en dos muones cada uno de                                                              rápidos puede disminuirse la información
la cámara. Pueden verse las partículas que en    ellos. A este tipo de interacción se lo llama el   Afortunadamente de todas estas interacciones       por almacenar y analizar hasta lo inicialmente
ella se generan: Un kaón y un pión negativos,    “canal de oro”.                                    solo unas pocas, y se sabe cuales, son de          generado en 1 año. En todo caso la cantidad
una partícula neutra que se desintegra a                                                            interés, y el resto es “ruido de fondo”. Además,   de información sigue siendo excesiva.
cierta distancia de acuerdo con su tiempo                                                           éstas se pueden seleccionar en breve tiempo,
de vida y otras dos neutras que aparecen                                                            analógica y digitalmente. Esa es la razón por      El tratamiento de la información sobre
también a cierta distancia (son fotones que se                                                      la que se lleva a cabo una selección (trigger),    las interacciones tiene una característica,
materializan en pares electrón–positrón). Los                                                       por otra parte ya utilizada en experimentos        puede realizarse en paralelo, interacción por

56   FRA                                                                                                                                                                                          57
Figura 8. Fotografía de interacción en cámara de burbujas y su interpretación                       Figura 9. Interacción simulada en un detector multipropósito del LHC




interacción, y también una servidumbre, tiene       GRID y ha encomendado al CERN que lo              archivos, en administración unificada, en         El CIEMAT, además de sus capacidades en
que ser accesible y utilizable desde todos los      haga. El procedimiento es como sigue: el          educación a distancia, etc.                       su sede, el centro de la Moncloa, ha abier-
grupos colaboradores de un experimento.             primer ordenador que recibe los datos está                                                          to otro en Trujillo, dedicado únicamente a
                                                    en la Organización (TIER 0) y luego se            La Fig. 11 muestra los objetivos, caminos y       aplicaciones sociales. El Centro de Trujillo,
Es aquí donde entra la GRID, sistema                transfieren, después de un tratamiento inicial,   campos científicos de aplicación inmediata        denominado CETA (Centro Extremeño de
ya propuesto para el tratamiento de                 a 10 nodos situados en diferentes partes del      de la GRID (Fig. 10).                             Tecnologías Avanzadas) – CIEMAT, ha re-
la información mediante clústeres de                mundo (TIER 1). Existe uno de ellos en la                                                           cibido múltiple financiación de la Comisión
ordenadores de todo el mundo, unidos                Universidad Autónoma de Barcelona, que
por líneas de transmisión y conmutación             cubre las necesidades ibéricas, sufragado por
de banda muy ancha. Las líneas existen en           acuerdo ministerial entre la Generalitat de
casi todos los continentes, enlazándolos, en        Catalunya y el CIEMAT. Después hay varios
forma de ramillete.                                 TIER 2 en España, que corresponden uno
                                                    a cada experimento, y también existen en
La GRID también incluirá, enlazándolos,             Portugal.
los superordenadores, porque hay muchos
campos en los que la potencia de cálculo            Actualmente el “middleware” de la GRID
paralela no es el método adecuado. También          está ya operativo, aunque todavía resultaría
son objeto de atención por parte de la Unión        optimizable.
Europea.
                                                    La GRID ya tiene, incluso en el estado actual,
Este proyecto, previsto para Europa                 aplicación en múltiples campos científicos y
como un importante paso en las TIC, ha              servicios globales que requieren almacenar
encontrado que los experimentos del LHC             y analizar muchos datos. Por ejemplo en
constituyen un medio para desarrollar la            biología y medicina, en climatología, en                   Figura 10. El desafío de los datos del LHC

58   FRA                                                                                                                                                                                          59
Figura 12. Evolución en el conocimiento de los componentes de la materia hasta
                                                                                                            principios del siglo XX


           Figura 11. La GRID


Europea y sus actividades implican la cola-      Y, dado que eran eléctricamente neutros,          durante las últimas décadas sobre las inte-       conocida en el Universo, y el neutrino elec-
boración con casi toda Iberoamérica, Portu-      deberían estar compuestos, junto con los          racciones entre partículas elementales han        trónico, necesario para describir las desinte-
gal y otros cinco países europeos, además del    electrones, por otras partículas subatómicas      mostrado un acuerdo sin precedentes entre         graciones nucleares. Los resultados obtenidos
CERN. Se espera extender la colaboración a       de carga positiva (protones). Fue entrado ya      las observaciones experimentales y el llama-      en la última década del siglo XX por los ex-
África, especialmente a los países ribereños     el siglo XX (1909) cuando E. Rutherford,          do Modelo Estándar (una Teoría Cuántica de        perimentos situados en el colisionador LEP
del Mediterráneo.                                bombardeando una lámina de oro con iones          Campos formulada en consonancia con los           del CERN mostraron que existen tres fami-
                                                 de helio, descubrió que tanto la carga positiva   principios de la Relatividad Especial y que       lias de fermiones elementales. Estas partícu-
                                                 del átomo como la mayor parte de su masa          describe, mediante Principios de Invariancia      las elementales, que constituyen las familias,
¿El LHC y sus detectores, para qué?              estaban concentradas en un núcleo central de      frente a transformaciones matemáticas, las        interactúan entre sí mediante el intercambio
                                                 dimensiones mucho menores que el átomo y          interacciones fundamentales conocidas salvo       de partículas de espín entero, denominadas
La idea de que La materia está compuesta         propuso un modelo en el que los electrones        la gravedad: la interacción fuerte, responsable   bosones. Conocemos un total de 12 cam-
por unidades discretas indivisibles (átomos)     orbitaban alrededor de estos núcleos de           de la cohesión de los núcleos atómicos y de la    pos bosónicos: el fotón, que media en las
había sido propuesta ya por los atomistas        modo análogo a como los planetas lo hacen         fusión y fisión nuclear, la electromagnética,     interacciones electromagnéticas, los bosones
griegos hacia el siglo VI antes de Cristo. Sin   alrededor del Sol. Desde el descubrimiento del    que describe las fuerzas electromagnéticas, la    W+,W- y Z, responsables de las interacciones
embargo no fue hasta principios del siglo        neutrón por J. Chadwick, en 1932, se sabía        cohesión de la materia y los procesos biológi-    débiles, y ocho gluones que median las inte-
XIX cuando John Dalton utilizó por primera       ya que la materia ordinaria estaba compuesta      cos, y la débil, que describe, por ejemplo, la    racciones fuertes (Fig. 13).
vez el concepto de átomo para explicar las       por átomos con los electrones distribuidos        inestabilidad de algunas partículas).
proporciones entre los componentes en las        alrededor de un núcleo muy masivo formado                                                           Finalmente, para que la teoría conserve las
reacciones químicas y los modos en que estas     por protones y neutrones (Fig. 12).               En el Modelo Estándar, las entidades ele-         probabilidades en las interacciones (sea uni-
partículas, únicas e indivisibles, se combinan                                                     mentales son los leptones y los quarks, partí-    taria), es necesario incorporar una nueva par-
para formar los distintos compuestos             Conforme se han ido desarrollando acelera-        culas ambas de espín semientero (fermiones)       tícula de espín 0 (bosón, por tanto) que in-
químicos. A finales del XIX (1897), J.J.         dores de partículas de mayor energía y de-        que se encuentran agrupadas en familias. Por      teractúe de un modo concreto con las demás
Thomson descubrió que las partículas de          tectores más complejos y precisos, durante        ejemplo, la primera familia está constituida      partículas del modelo. Este bosón se intro-
carga eléctrica negativa (electrones) que        el siglo XX, hemos profundizado en el co-         por los quarks u y d, partículas elementales      duce mediante el denominado Mecanismo
constituían los llamados “rayos catódicos”       nocimiento sobre los constituyentes de la         que constituyen los protones y los neutrones,     de Higgs que permite, por un lado, que las
eran de naturaleza subatómica y, por tanto,      materia y las interacciones que tienen lugar      junto con los electrones, que permiten cons-      magnitudes observables, calculadas median-
los átomos no eran entidades elementales.        entre ellos (Fig. 12). Los estudios realizados    truir los átomos de toda la materia ordinaria     te técnicas de perturbaciones, sean finitas (la

60   FRA                                                                                                                                                                                         61
nes de una misma causa. Sin embargo, esto
                                                   sucede a unas energías tan altas (~1019 GeV;
                                                   Fig. 15) que los efectos gravitatorios, despre-
                                                   ciables a las energías de los laboratorios, han
                                                   de tenerse en cuenta. Por tanto, cabe pensar
                                                   que para unificar las interacciones fuertes y
                                                   electrodébiles hay que considerar la gravi-
                                                   tación y, hasta la fecha, no disponemos de
                                                   ninguna teoría satisfactoria de partículas ele-
                                                   mentales que incluya esta interacción ni sa-
                                                   bemos por qué es tan diferente su intensidad
                                                   de la del resto de las fuerzas.

                                                   Otro campo de gran interés en la Física Fun-
                                                   damental es la Cosmología, que estudia la
Figura 13. Comparación entre la sección eficaz                                                       Figura 14. Partículas de materia (fermiones) agrupadas en las tres familias conocidas y los bosones
                                                   creación y evolución del Universo. En este
de producción de quarks en la interacción de                                                         del Modelo Estándar que median las interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles
electrones y positrones determinada por los        caso, el equivalente al Modelo Estándar es el
experimentos de LEP y las predicciones del         denominado Modelo de la Gran Explosión,
Modelo Estándar para 2, 3 y 4 familias de          basado en la Teoría General de la Relatividad
fermiones                                          y el Principio Cosmológico. Éste, sólidamen-
                                                   te fundado en las observaciones realizadas
                                                   durante las últimas décadas (como el estudio
teoría sea renormalizable) y, por otro, que las    de la radiación de fondo de microondas y la       denominada simetría CP, combinación de
partículas del modelo puedan tener masa si         abundancia relativa de núcleos ligeros en el      las operaciones C, de conjugación de carga
es el caso. Es el denominado Bosón de Hi-          Universo), describe satisfactoriamente la ma-     (cambio de partículas por antipartículas), y
ggs, elemento esencial del modelo y único          yoría de los fenómenos observados a escalas       P, de paridad (reflexión especular). En el Mo-
ingrediente que aún no ha sido observado           cosmológicas. Sin embargo, existen impor-         delo Estándar ésta violación, observada ex-
directamente. Sabemos, nuevamente por los          tantes inconsistencias cuando se confronta        perimentalmente, se describe mediante una
resultados obtenidos en el colisionador LEP,       con el Modelo Estándar. En este último, por       fase compleja introducida ad hoc y no hay
que su masa es superior a 114,4 GeV y es de        ejemplo, las interacciones entre partículas y     argumento alguno que sugiera ni su origen
esperar que con la próxima entrada en fun-         antipartículas se describen de manera simé-       ni su magnitud. Además, los experimentos
cionamiento del LHC quede confirmada su            trica, pero, según las observaciones realizadas   sobre interacciones entre partículas elemen-
existencia.                                        hasta la fecha, hasta distancias de ~107 años     tales presentan una violación de CP mucho
                                                   luz de nosotros el Universo parece estar cons-    menor de la que se necesita para explicar las        Figura 15. Evolución con la energía de la
Sin embargo, a pesar del excelente acuerdo         tituido exclusivamente por materia.               observaciones cosmológicas.                          intensidad de las interacciones fuertes y
observado entre el Modelo Estándar (Fig.                                                                                                                  electrodébiles y la escala de unificación.
14) y los experimentos realizados hasta la fe-     ¿Dónde se encuentra la antimateria? ¿Qué          Por otra parte, el estudio del Universo nos
cha en laboratorios terrestres, aún existen va-    pasó con ella? Para describir de manera co-       indica que, realmente, aún no conocemos
rios problemas por resolver. Por ejemplo, en       herente la evolución del Universo desde un        todos los componentes que constituyen la
el modelo hay muchos parámetros indeter-           estado inicial con simetría entre materia y       materia. Al aplicar el Teorema del Virial al
minados que han de fijarse mediante la expe-       antimateria hasta un estado como el actual        movimiento de las galaxias periféricas en            veces superior a la de la materia luminosa.
rimentación. La unificación de las interaccio-     (proceso denominado bariogénesis) es ne-          las agrupaciones de galaxias se observó, ya          Estudios posteriores, realizados a finales los
nes fuertes y electrodébiles justificaría varios   cesario que, entre otras cosas, las interac-      en los años 30, que la masa contenida en             60 mediante el análisis del efecto Doppler
de ellos, al hacerlos diferentes manifestacio-     ciones entre partículas elementales violen la     los cúmulos galácticos debería ser unas 400          en la velocidad de rotación de las estrellas

62   FRA                                                                                                                                                                                                   63
Figura 16. Velocidad de rotación de los planetas en el Sistema Solar                                 Figura 17. Velocidad de rotación de las estrellas periféricas en la
                                                                                                                    galaxia NGC 6503

periféricas de las galaxias, confirmaron la        Hubble sabemos que el Universo se encuentra       candidatos como, por ejemplo, los bosones           determinaron la evolución hasta su estado
existencia de una gran cantidad de Materia         en una etapa de expansión y, de estar             de Kaluza-Klein, que aparecen en teorías con        actual. El LHC alcanzará la mayor energía
Oscura en los halos galácticos formada por         dominado por materia, debería experimentar        dimensiones extra, o las nuevas partículas          posible hasta el momento en un laboratorio
partículas o cuerpos que no emiten ni reflejan     una desaceleración debido a la atracción          que aparecen en las Teorías Supersimétricas.        terrestre y permitirá realizar un estudio
suficiente radiación electromagnética para         gravitatoria. Sin embargo, la relación entre la   En particular, estas teorías introducen una         sistemático de la dinámica de las interacciones
poder ser observados directamente pero sí          distancia y la velocidad de recesión observada    nueva simetría de la naturaleza (llamada            en condiciones controladas a energías de 14
tienen efectos gravitatorios sobre los cuerpos     para objetos lejanos indica que la expansión      supersimetría), que relaciona partículas de         TeV en el centro de masas lo que supone
observados. A grandes rasgos, la luminosidad       es acelerada. Estas observaciones, realizadas a   espín entero (bosones) con partículas de            (Fig. 19) observar que sucedía en el Universo
de las galaxias (y, por tanto, la cantidad de      finales de los años 90, sugieren la existencia    espín semientero (fermiones) y da lugar a           cuando tenía una edad del orden de 10-12
estrellas, esencialmente toda la materia           de un tipo de energía desconocida (Energía        un nuevo bosón por cada fermión existente           segundos, un radio de ~1011 metros, una
visible de la galaxia) sigue una distribución      Oscura) que da lugar a una presión negativa       y viceversa. Aparte de solucionar algunos           temperatura de ~1011 K y una densidad
esférica en la parte central y decrece de un       y han sido corroboradas por observaciones         de los problemas que presenta el Modelo             cercana a los 1.030 g cm-3.
modo aproximadamente exponencial hacia             posteriores como el efecto de lente               Estándar y de ser una simetría necesaria en la
los extremos. Según la dinámica newtoniana,        gravitatoria en agrupaciones de galaxias.         mayoría de los modelos de unificación con la
la velocidad de rotación de las estrellas y        Los estudios más recientes de la radiación        gravitación, la partícula supersimétrica más
gas periféricos debería decrecer como r-1/2        de fondo de microondas indican finalmente         ligera, denominada generalmente neutralino,         España y el CERN
siendo r la distancia al centro galáctico como     que el Universo está constituido por un 4%        es estable y un buen candidato a ser el
sucede, por ejemplo, con los planetas en           de materia ordinaria como la estudiada en         constituyente de la Materia Oscura. Hasta la        Desde la entrada de España en el CERN la
el Sistema Solar (Fi. 16). Sin embargo, se         los aceleradores de partículas y por un 22%       fecha, no hay ninguna evidencia experimental        Comunidad de Física de Partículas española
observa (Fig. 17) que la velocidad de rotación     materia oscura y un 74% de energía oscura         de la supersimetría pero es de esperar el LHC       ha progresado mucho, y con ella la de Física
es constante hasta distancias muy lejanas del      que son de naturaleza desconocida (Fig. 18).      aporte evidencias de su existencia.                 Nuclear. De 2 Grupos Experimentales y 40
centro galáctico (de hecho, no se observa que                                                                                                            científicos antes de la adhesión al CERN se
llegue a decrecer). Estos resultados indican       Para explicar estas observaciones, es necesario   Las interacciones entre todas las partículas        ha crecido hasta 10 grupos y 250 científicos
que desconocemos la naturaleza del 80% de          que la Materia Oscura esté compuesta              elementales conocidas y las predichas               distribuidos entre el CSIC, el CIEMAT y
la materia que constituye el Universo.             por algún tipo de partícula no relativista        por las diversas extensiones del Modelo             varias Universidades, la mayoría participando
                                                   y las extensiones del Modelo Estándar en          Estándar desempeñaron un papel esencial             en los experimentos del LHC. Hay, además
Por otra parte, de las observaciones de E.         Física de Partículas proporcionan varios          en los primeros instantes del Universo y            8 grupos de Física Nuclear (133 científicos)

64   FRA                                                                                                                                                                                             65
Figura 18. Naturaleza de los diferentes elementos que constituyen el Universo                        Figura 19. Historia del Universo mostrando, en escala logarítmica, las relaciones
                                                                                                                aproximadas entre el tiempo, el radio, la densidad, la temperatura y la energía y
                                                                                                                la dinámica correspondiente




y 13 grupos teóricos (332 científicos)              Posibles proyectos de acelerador para             de 1031 cm-2s-1, que es muy probable,               euros. Esta característica y el hecho de que
parcialmente trabajando en la Organización,         después del LHC                                   previsiblemente para el año 2015. Su coste          solo se alcance el mismo rango de energía del
como es usual en la especialidad teórica.                                                             superará los 500 millones. Además se                LHC lo hacen improbable.
En la actualidad el 4,5% del staff del CERN         Habitualmente el CERN suele preparar ideas        consideran ya dos aceleradores lineales, el
es español y la contribución española supone        y desarrollar tecnologías para nuevos grandes     ILC y el CLIC.                                      CLIC- Es también un colisionador de
aproximadamente el 8% de su presupuesto,            proyectos que puedan sustituir a los que                                                              electrones y positrones. Se pretende alcanzar
un poco más de la mitad de lo que                   comienzan a operar, es decir mucho tiempo         ILC– Es un proyecto de acelerador lineal            1,5 TeV de energía en cada haz, lo que
correspondería a España pero la distancia           antes de que se inauguren. Hay que considerar     para hacer colisionar electrones y positrones       permitirá conseguir 3 TeV totales de energía,
entre los porcentajes sigue disminuyendo.           que cada uno de los proyectos supone              a una energía de 500 GeV para analizar              del orden de 6 veces más que con el ILC.
                                                    mucho tiempo de estudio, de preparación           detalladamente los fenómenos descubiertos           El CLIC trata de utilizar nuevos conceptos
El retorno industrial del CERN a nuestro            tecnológica, de optimización del diseño de la     con el LHC ya que las interacciones de              de aceleración de los haces para alcanzar
país ha sido globalmente equilibrado. En las        instalación, de evaluación presupuestaria y,      electrones son mas “limpias” (los electrones        gradientes también del orden de 150
épocas de construcción de nuevas grandes            finalmente, de la aprobación y construcción.      sí son componentes elementales, como los            MeV/m. Existen proyectos para desarrollar
instalaciones suele superar el promedio y en        En general el tiempo que suponen todas las        quarks, pero no los protones, hechos de             las mismas, liderados por el propio CERN.
las de explotación científica de las mismas         fases descritas es equivalente al tiempo de       quarks y gluones). Este dispositivo utiliza muy     Estos conceptos están orientados a conseguir
disminuye, fundamentalmente porque ape-             operación del previo, incluidas sus variaciones   complejas y costosas cavidades de aceleración       la aceleración no mediante radiofrecuencia
nas hay adquisiciones y sí muchos servicios,        para optimizar su rendimiento.                    ya que se pretende alcanzar un gradiente de         sino decelerando un haz para lograr otro
generalmente adjudicado a empresas locales,                                                           energía del orden de 159 MeV/m en lugar             de alta energía y de relativamente baja
de Francia o Suiza.                                 Son varios los proyectos que ahora se             de los 10 MeV/m que ahora se consiguen.             frecuencia y transmitiendo la potencia a
                                                    vislumbran en el horizonte, cuya ejecución        En total se producirán 1.400 colisiones por         través de estructuras llamadas PETS (Power
No se ha obtenido beneficio suficiente              efectiva depende de los resultados del LHC        segundo y su longitud será de 31 km, que            Extraction Transfer Structures). CLIC es más
de la tecnología del CERN, en parte por             en su primera fase: en primer lugar una           podrían conseguirse en Suiza y Francia, en          probable que el ILC, tendrá una longitud
incapacidad española.                               mejora del LHC: el SLHC (superLHC) y              torno a las instalaciones actuales del CERN.        de unos 50 km pero aún no hay estimación
                                                    sus detectores para alcanzar luminosidades        Su coste estimado es de 6.000 millones de           de su coste ya que todavía no se conoce la

66   FRA                                                                                                                                                                                            67
tecnología precisa de aceleración.                 no muchos años: “Durante siglos las
                                                   relaciones entre ciencia y sociedad han
El CIEMAT participa en ambos. En el                estado gobernados por un pacto tácito.
segundo caso (CLIC) mediante el desarrollo y       Generalmente los científicos quieren hacer
construcción de los PETS, componente básico        descubrimientos que sean universales, bellos
de la tecnología hoy en consideración.             o fundamentales, ya puedan preverse o no
                                                   beneficios concretos para la sociedad (…).
                                                   La sociedad ha estado generalmente dispues-
                                                   ta a apoyar el trabajo en ciencia pura princi-
Otras muy importantes actividades del              palmente porque espera que tenga aplicacio-
CERN: la conexión social                           nes bien en la tecnología, en la medicina o
                                                   en la guerra. Normalmente estas expectativas
Las razones que mueven a los científicos a         se han mostrado correctas…, pero ahora este
dedicarse a sus actividades investigadoras son     pacto parece estar en entredicho(…).
generalmente vocacionales, personales, pero
                                                                                                              Figura 20. Destino de los doctores formados en el CERN
a muy pocos les mueven razones sociales,           Los problemas que ha encontrado el SSC
aunque esta actitud vaya progresivamente           (Superconting Super Collider) en el Congreso
disminuyendo. No pueden olvidar, no                son simplemente un desencanto de la ciencia
podemos hacerlo, que los presupuestos con          pura.”                                           su capacidad tecnológica sino que abren vías      nes y en la que hay financiación externa, en-
los que se financia la Ciencia se originan en                                                       para a acceder más y mejor a mercados inter-      tre ellas las de la propia industria; y la tercera
las aportaciones de los ciudadanos y estos         Consecuentemente se hace necesario, además       nacionales. Algunos datos al respecto: de las     es el desarrollo de productos de productos
tienen todo el derecho de conocer y compartir      de justo, extremar la transferencia de tecno-    empresas adjudicatarias el 38% desarrollaron      nuevos cuyos fondos han de ser industriales.
los avances científicos así como la de exigir      logía, que es mucha aunque pase inadvertida.     nuevos productos y como las que lo hicie-         Esta última y parte de la anterior ha de ser
beneficios sociales de sus inversiones. Es         En este sentido el CERN lo hace a través de      ron consiguieron generar, en promedio, casi       acompañada por una acertada política de
más, el ciudadano se sentirá solidario con         la formación de personal, de las compras de      tres, se puede afirmar que por cada contrato      propiedad intelectual. Puede proceder seguir
la investigación si además de conocerla, es        equipos de alta tecnología y desde hace no       del CERN se genera un nuevo producto. Es          el camino de patentar los desarrollos o puede
consciente de los beneficios que supone para       mucho a través de una transferencia proac-       más, el tamaño y la envergadura de la Or-         convenir transferir la tecnología sin patentar,
él como individuo y para la colectividad.          tiva.                                            ganización compensa el esfuerzo de presen-        sobre la base de acuerdos. En todos los casos
                                                                                                    tar ofertas a sus licitaciones. De las empresas   hay que incentivar la transferencia, tanto a
En este aspecto el CERN también tiene              Transferencia a través de personal: La Fig.      mencionadas el 18 % crearon nuevos equipos        los investigadores y tecnólogos, inventores
actividades, cuyo número, además, se               20...muestra a dónde va el personal doctor       de I + D, el 42 % afirma haber mejorado su        y transferidores de la tecnología, como ser
incrementa progresivamente.                        formado en la Organización. Se observa que       imagen internacional, el 44% un importante        capaz de mantener el apoyo a las industrias
                                                   aproximadamente un 60% no siguen un ca-          aprendizaje tecnológico y el 36% un apren-        o spin-offs durante el tiempo necesario para
Procede recordar algunas citas de persona-         mino investigador o universitario sino que se    dizaje de mercado.                                garantizar el éxito final. Los fondos del pro-
lidades. Albert Einstein decía: “creo, junto       dedican a utilizar su excelente información,                                                       ceso de transferencia pueden provenir de la
con Shopenhauer, que una de las más fuertes        más de la mitad de ellos como profesionales      Transferencia proactiva: El proceso de trans-     industria para que no sea oneroso a los presu-
motivaciones de los hombres para entregarse        de la industria.                                 ferencia es conocido. Tiene tres fases, lapri-    puestos de la investigación. El proceso ha de
al arte y a la ciencia es el ansia de huir de la                                                    mera es investigadora, que necesariamente         estar canalizado a través de profesionales en
vida de cada día, con su dolorosa crudeza y        Transferencia a través de la compra de equi-     depende de presupuestos estatales; la segunda     cada uno de los pasos (…). En todos aspec-
su horrible monotonía; el deseo de escapar         pos: Durante los periodos de construcción        es precompetitiva, con desarrollos en domi-       tos mencionados el CERN es ya muy eficaz
de las cadenas con las que nos atan nuestros       de equipos para las grandes instalaciones más    nios específicas de tecnologías con aplicación    o está en vías de serlo.
siempre cambiantes deseos”.                        del 50 % de su presupuesto de adquisiciones      social y el desarrollo de prototipos y demos-     Los dominios tecnológicos preferentes de la
                                                   se dedican a los de alta tecnología. En ellas    tradores con interés industrial, en la que la     Organización son aquellos que se derivan
Y Stephen Weinberg ha comentado, hace              las empresas adjudicatarias no solo mejoran      Organización ha de extremar sus aportacio-        de los desarrollos en los aceleradores, los

68   FRA                                                                                                                                                                                             69
A la comunidades científicas, global y pro-
                                                                                                    pia de la especialidad: Se pretende informar
                                                                                                                                                         Para el público en
                                                                                                    y motivar al personal del CERN, usuarios
                                                                                                    de la Organización y lo mismo con toda la
                                                                                                                                                         general se utiliza una
                                                                                                    comunidad poniéndoles al tanto de los avan-
                                                                                                    ces, tanto de la especialidad como de la res-
                                                                                                                                                         red de divulgación
                                                                                                    tante. La Fig. 21 muestra un resumen de las
                                                                                                    principales actividades de la Organización al
                                                                                                                                                         científica que cubre
                                                                                                    respecto.                                            varios continentes, se
                                                                                                    Una mención particular merece el programa
                                                                                                    de formación de educadores. A los profesores
                                                                                                                                                         preparan y distribuyen
                                                                                                    de Institutos y Colegios se les invita al            programas, se reciben
                                                                                                    CERN, con beca. Son educadores de todo
                                                                                                    el mundo. La beca les cubre el viaje y               visitas (un total de
                                                                                                    estancia en el CERN, por periodos de tres
                                                                                                    meses. Durante los mismos conviven con los           aproximadamente
                                                                                                    científicos y reciben cursos. Posteriormente
           Figura 21. Educación y comunicación en el CERN.                                          preparan material educativo para difundir en         30.000 al año) y
                                                                                                    sus países a la vuelta de CERN.
                                                                                                                                                         se organizan actos
detectores y las TIC. Las tecnologías que         organizado las cosas de forma que casi nadie      Para el público en general se utiliza una red
involucran son casi todas las de vanguardia:      entiende ni de ciencia ni de tecnología. Son      de divulgación científica que cubre varios           especiales
superconductividad, alto vacío, criogenia,        las condiciones idóneas para el desastre.         continentes, se preparan y distribuyen
mecánica de precisión, electrónica de             Podremos quizás continuar durante un cierto       programas, se reciben visitas (un total de
potencia y radiofrecuencia, detectores de         tiempo pero más pronto o más tarde esta           aproximadamente 30.000 al año) y se
visualización de imágenes, etc. y los campos      mezcla combustible de ignorancia y poder          organizan actos especiales en la exposición
en los que pueden tener consecuencias como        nos estallará entre las manos…”                   permanente del “Globo del Universo”              Consideraciones personales
las TIC, la Salud, la Energía y otros.                                                              un espacio dentro de una construcción            sobre el CERN
                                                  La divulgación científica esta fundamental-       emblemática instalada en territorio del
También es necesario incrementar los esfuer-      mente dirigida a los escolares (Fig. 21), al      CERN. Existen además exposiciones                La Organización ha alcanzado los objetivos
zos en Educación, Comunicación y divulgación      público en general y a la propia comunidad        itinerantes sobre ciencia y tecnología además    que establecieron sus fundadores, porque:
científica que el CERN ya lleva a cabo, comple-   científica, tanto de la especialidad como la de   de otra sobre el valor de la ciencia como
mentarios de las dedicadas a la formación de      todas la comunidades científicas.                 vínculos de unión entre los pueblos.             	 •	Siendo	un	laboratorio	europeo	se	ha	
personal antes referida. Procede referir lo que                                                                                                          convertido en el mejor del mundo en
ya se hace (…).                                                                                     Para las comunidades científicas se editan va-       su especialidad y es el centro de una
                                                  Los mandatos son los siguientes:                  rias publicaciones de alto nivel divulgativo.        colaboración planetaria.
En primer lugar, además de las sentencias
de Stephen Weinberg antes mencionada              Al Público en general: Se pretende aumentar                                                        	 •	El	LHC,	último	de	sus	aceleradores,	
citaremos una frase de Carl Sagan, muy            el conocimiento de la Organización, su valor                                                           es único y se abre a una nueva frontera
reveladora, aunque sea un tanto maximalista:      cultural y la utilidad de su tecnología.                                                               del conocimiento de la estructura de la
“Hemos organizado una civilización global                                                                                                                materia y de nuestro conocimiento
en la que los elementos cruciales dependen        A las Escuelas: Se pretende aumentar su                                                                sobre el origen del Universo según
de la ciencia y la tecnología. También hemos      formación en la Física más moderna.                                                                    el Modelo de la Gran Explosión.

70   FRA                                                                                                                                                                                         71
•	Ha	dispuesto,	y	aún	dispone,	de	la	
    mejor infraestructura tecnológica de           	 •	La	dirección	saliente,		sin	duda	clave	
                                                                                                   En todo caso
    Europa.                                            para finalizar la construcción del          mantengamos la actitud
                                                       acelerador, cometió el error de apresurar
                                                       su inauguración con un despliegue
                                                                                                   de Cervantes:
Sin embargo, en mi opinión, hay cosas                  mediático sin precedentes. No era
mejorables:                                            necesario.
                                                                                                   “Sancho, podrán
                                                                                                   (empeñarse) los
	 •	Los proyectos son cada vez más                 	 •	Conviene	reflexionar	sobre	la	
    costosos, mientras que los presupuestos            adaptación del CERN a la época. No          encantadores (en)
    se mantienen constantes, lo que ha                 estamos ya al final de la Gran Guerra.
    dado lugar a la externalización parcial
                                                                                                   quitarnos la ventura
    de su acervo tecnológico, en un                	 •	La	participación	española	en	la	            pero el esfuerzo y el
    momento en el que Europa busca y                   Organización ha evolucionado de
    promueve infraestructuras tecnológicas             acuerdo con el desarrollo español.          ánimo será imposible”                    Juan Antonio Rubio
    de envergadura.
                                                   En todo caso mantengamos la actitud de                                                   Director General        Tecnología.
	 •	La	limitación	de	sus	presupuestos	y	la	        Cervantes:                                                                               del CIEMAT, es          En el ámbito univer-
    avidez natural de los científicos apenas                                                                                                doctor en Ciencias      sitario, Juan Anto-
    deja margen para incrementar el                “Sancho, podrán (empeñarse) los encan-          AGRADECIMIENTOS                          Físicas por la Uni-     nio Rubio ha sido
    desarrollo de las aplicaciones sociales.       tadores (en) quitarnos la ventura pero el                                                versidad Complu-        profesor de Física
                                                   esfuerzo y el ánimo será imposible”             El autor desea expresar su               tense. Su trayectoria   Nuclear, Mecánica
	 •	Existen	campos	científicos	(la	Astrofísica		                                                   reconocimiento a los Drs., M.            profesional está        Cuántica y Física
    de Partículas y la Física Nuclear) que                                                         Cerrada, Luis García Tabarés y           íntimamente vincu-      de Partículas en
    sería conveniente pudiesen ser                                                                 Carlos Mañá por la excelente             lada a la Organiza-     las Universidades
    coordinadas desde la Organización.                                                             información suministrada para la         ción Europea para       Complutense y Au-
                                                                                                   preparación de esta conferencia.         la Investigación        tónoma de Madrid.
Todo ello está dando lugar a cierta deca-                                                                                                   Nuclear (CERN),         Además, ha hecho
dencia, que deseamos sea limitada en el                                                            También desea agradecer al Dr. C.        el laboratorio de       estancias en los
tiempo, porque es seguro que con el LHC                                                            Maná por su contribución a alguna
                                                                                                                                            Física de Partículas    laboratorios del MIT
nuevos éxitos científicos están próximos.                                                          de las secciones del texto y al Dr. J.
                                                                                                                                            más importante          (EEUU), Collège de
                                                                                                   Salicio por su inestimable ayuda con
                                                                                                                                            del mundo. En este      Francia y DESY en
                                                                                                   las figuras y con versión final del
                                                                                                   mismo.                                   organismo ejerció,      Alemania. Ha sido
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    era esperable la aparición de averías.                                                                                                  sión de Educación
    Y en menor medida aún es esperable.                                                                                                     y Transferencia de

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El LHC y el CERN: historia y logros de la mayor organización de investigación nuclear europea

  • 1. CONFERENCIAS EL CERN EL GRAN COLISIONADOR DE HADRONES Por Juan Antonio Rubio Director General del CIEMAT El profesor Juan Antonio Rubio presenta en esta conferencia el proyecto del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). Repasa la historia científica y tecnológica de la Organización, el proyecto mismo y su situación actual, los experimentos que se llevarán a cabo en la instalación y sus expectativas científicas. Asimismo, hace una breve mención a futuros aceleradores que hereden el protagonismo del LHC en el mundo de la Física de Partículas. Fundación Ramón Areces, 15 de enero de 2009 eL tema objeto deL títuLo es de indudable El LHC (Large Hadron Collider), construido actualidad: El CERN y el LHC. Ambos, y utilizando la casa de LEP (Large Electron otros ligados a ellos, constituyeron mi tra- Positron collider), es el último de los bajo cotidiano desde mis últimos tiempos colisionadores de partículas del Laboratorio previos en el CIEMAT (antes JEN) hasta y en su momento el más avanzado del recientemente, cuando el Gobierno español mundo (Fig. 1), constituye un proyecto de me nombró Director General del Centro, en complejidad tecnológica sin precedentes, 2004. cuya operatividad desde el momento de 45
  • 2. su gestación, habrá tardado el equivalente a Creación del CERN media carrera de un profesional, del orden de 20 años. Las primeras propuestas para la creación Se pretende progresar en el del CERN las hicieron eminentes físicos El objetivo es colisionar haces de protones y también políticos con visión europeísta, conocimiento no sólo de circulando en sentidos opuestos. Las poco después de finalizar la Guerra Mundial. interacciones tienen lugar en cuatro puntos En 1949 Louis de Broglie propuso construir la estructura íntima de la de colisión, a la altura de los haces, y en “…un laboratorio o institución donde sea materia y las fuerzas entre sus promedio, cerca de cien metros bajo tierra. posible hacer ciencia, pero más allá del marco Del análisis de los datos obtenidos con ellos de los diferentes Estados participantes (…) componentes elementales, se pretende progresar en el conocimiento no Figura 1. El Gran colisionador de Hadrones una colaboración en este campo sería más sólo de la estructura íntima de la materia y las (LHC) en el túnel del LEP fácil debido a la verdadera naturaleza de la sino también del origen del fuerzas entre sus componentes elementales, ciencia”(…)”este tipo de cooperación serviría Universo en el marco del sino también del origen del Universo en el también a otras disciplinas (…)”. Una vez marco del Modelo de la Gran Explosión. más la ciencia volvía a ser protagonista de la Modelo de la Gran Explosión superación de barreras nacionales, incluso en Los haces de protones están animados de una cuya intensidad es de aproximadamente una época en la que aún estaban muy recientes energía de 7 GeV, algo más de siete mil veces 12.000 amperios y circulan dentro de un los rescoldos de la terrible confrontación su masa en reposo, lo que permitirá analizar tubo en que se ha hecho un vacío inferior bélica. Los científicos europeos, ayudados las interacciones entre sus componente a la cien mil millonésima parte de torr, que por estadounidenses, muchos con el mismo elementales, los quarks, cuya dimensión es es un vacío interestelar, refrigerados hasta 1,9 origen, deseaban también frenar la diáspora Breve y resumida historia del CERN inferior a una trillonésima de metro. grados kelvin, que en la actualidad supone hacia Estados Unidos. Otro ejemplo de la temperatura más baja del Universo en estos últimos fue Isidor Rabi, esencial en entre 1954 y 1957 comenzaron los trabajos El LHC utiliza gran parte de los 27 kilómetros volúmenes considerables. Los haces están la organización de todo el proceso para de la División de Teoría, se construyó el del túnel en imanes que mantienen los haces formados por 2.880 paquetes, cada uno la creación del Laboratorio, en el marco sincrociclotrón de protones y se realizó girando en el acelerador siguiendo órbitas con aproximadamente cien mil millones de la UNESCO, en donde se depositó su el primer experimento con repercusión circulares, con la dimensión necesaria, a de protones y su dimensión transversal es Convención. Entre otros científicos más mundial, estudiando la desintegración una velocidad muy cercana a la de la luz, del orden de 1 milímetro y aún menor en protagonistas del proceso citaremos a P. leptónica del pión, que probó la universalidad aproximadamente diez mil vueltas por los puntos de interacción, del orden de una Auger, E. Amaldi y L. Kowalski. de la interacción débil. segundo. (Anecdóticamente mencionaremos centésima de milímetro. La energía total que que, como el CERN está situado en los transporta el haz en las interacciones, a pesar Como consecuencia el CERN inició sus En 1959 se terminó el sincrotrón de proto- territorios de Francia y Suiza, los aduaneros de estar formado por partículas cuya masa es actividades en 1954, siendo el Organismo nes y se comenzó la medida del momento de ambos países seguro que lo han intentado del orden de la cuatrillonésima de gramo, es promotor de la Física de Altas Energías en magnético anómalo del leptón μ, confir- pero no pueden controlarlas). equivalente a la energía cinética de un avión Europa, no solo mediante la construcción mando la validez de la teoría de interaccio- Jumbo en el momento de su despegue. En de aceleradores sino también estudiando la nes electromagnéticas, la electrodinámica Todos los imanes mencionados son resumen, el LHC es una instalación que ha radiación cósmica. cuántica, debida a R. Feynman. Este sería un superconductores y los dipolares que curvan requerido inmensos desarrollos tecnológicos experimento que duraría muchos años, lle- las trayectorias tienen una intensidad de en prácticamente todas las tecnologías de Fue la primera iniciativa conjunta europea, gando a obtenerse precisiones altísimas en la campo magnético de siete teslas (cientos de vanguardia lo que ha además ha tenido un pero sus pioneros habían pensado más allá, confirmación de la validez experimental de miles de millones de veces superior a la del efecto social sin precedentes, como luego con amplia visión de nuestro continente. la teoría. campo magnético terrestre) y en cada punto explicaremos. Constituye otro ejemplo de una de las de colisión se generan ochocientos millones cualidades esenciales de la ciencia, puesta Entre 1961 y 1965 se construyeron los de colisiones por segundo. Estos imanes Dedicaremos unos párrafos al CERN, su en práctica una y otra vez: su constante primeros anillos de almacenamiento dipolares están activados por corrientes historia, sus logros y su futuro previsible: contribución a la paz. del mundo, CESAR (CERN Electron 46 FRA 47
  • 3. Storage and Accumulation Ring), y se CERN, tan silenciosamente como se había adquiere el primer gran ordenador de la adherido a ella, en un momento en el que Organización, una CDC 6600. la comunidad científica española empezaba a formarse. Las razones alegadas fueron Hasta entonces los físicos habían utilizado económicas pero entiendo que había otras regla de cálculo e, incluso, el CERN contrató de origen político. Por otro lado, éste era en un circo a una persona capaz de operar ya el momento en el que la diáspora se de memoria con rapidez extraordinaria. había detenido y, gracias al CERN, había El ordenador humano se dedicó a hacer comenzado el equilibrio en la movilidad demostraciones semanales para el público en científica entre Europa y Estados Unidos. el auditorio principal, que solía llenarse. La CDC me sufrió no pocas noches para realizar Poco después, utilizando las cámaras desarro- los cálculos necesarios en el análisis del lladas por Charpak, se construye la instala- experimento base de mi tesis de doctorado. ción OMEGA, excelente banco de ensayos Otro hecho, muy importante para nuestra para múltiples experimentos y cuya utilidad comunidad científica, es que España se de extiende durante bastante más de una dé- adhirió silenciosamente al CERN (1961) y cada, y también se inicia la operación de los entonces comenzó la formación de científicos primeros anillos de colisión de la historia (In- españoles de la especialidad. tersecting Storage Rings) que permitieron las colisiones frontales entre haces de partículas, En 1965 se inician las amplias colaboraciones en este primer caso de protones de 30 GeV internacionales, aprovechando que la tecno- contra protones de igual energía, maqueta logía de cámaras de burbujas es proclive a ello del LHC. y con estos detectores se obtiene una imagen En uno de ellos, el Espectrómetro Híbrido El experimento estaba dirigido por el Premio e información casi completa de las interac- En 1973 la cámara de burbujas Gargamelle Europeo (EHS), el grupo de partículas del Nobel S. C. C. Ting y tuvo aportaciones ciones entre partículas. Es entonces cuando (Fig. 14), desarrollada fundamentalmente CIEMAT tuvo una participación destacada, muy relevantes, como el descubrimiento del comienza la formación de experimentadores por laboratorios franceses, detecta las tanto en la cons-trucción del detector como gluón y la predicción del valor de la masa españoles en el CERN y los gérmenes de gru- primeras interacciones puramente leptónicas en el análisis de los datos. Fue la primera vez de uno de los bosones intermediarios de las pos en España. con ausencia de hadrones sobre la base de las que un grupo español aportó instrumenta- interacciones electrodébiles, el Z. interacciones de neutrinos (v), predicción ción electrónica visible. Entre 1968 y 1971 el físico del CERN clave de las teorías de unificación electrodébil En 1982 el Gobierno español acordó la Georges Charpak finalizaba el desarrollo de S. L. Glashow, A. Salam y S. Weinberg, También en ese periodo se construyeron adhesión, o readhesión, al CERN, medida que de un potente instrumento electrónico, la que obtuvieron por ello el Premio Nobel los experimentos CHARM y CDHS, que fue confirmada el año siguiente por el nuevo Cámara Proporcional Multihilos (MWPCh) de Física en el año 1979. De no ser por su analizaron la estructura de los protones y Gobierno y ratificada casi unánimemente que permitiría tomar datos sobre trayectorias fallecimiento prematuro, A. Lagarrigue y Paul neutrones utilizando haces de neutrinos. por el Parlamento español. de partículas cargadas con una frecuencia Mousset hubiesen ampliado la aportación Concluyeron que ambos tenían estructura, altísima, del orden del millón por segundo. europea a la lista de laureados con el Premio confirmando los realizados con haces Entre otras instalaciones S. M. el Rey de Por este instrumento, básico para el Nobel de Física. de muones, y a sus componentes más España visitó el experimento UA1, instalado desarrollo y la construcción de los actuales elementales, que después se identificarían en el Collider, unos anillos de colisión detectores de interacciones, G. Charpak fue En 1977 se terminó la construcción del Su- como los quarks, se les llamó “partones”. antiprotón protón, con energías de 450 GeV, posteriormente galardonado con el Premio persincrotrón de protones (SPS) de 300 GeV, que utilizaban una tecnología completamente Nóbel de Física en 1992. después mejorado para alcanzar 450 GeV, y En ese periodo el Grupo del CIEMAT novedosa y que fueron construidos en se construyeron varios detectores en el marco participó en el modernísimo experimento tiempo mínimo. Ambos estuvieron dirigidos Casi simultáneamente, España se retira del de amplias colaboraciones internacionales. MARKJ del acelerador PETRA, en DESY. por Carlo Rubbia. Las tecnologías del 48 FRA 49
  • 4. colisionador fueron desarrolladas por Simon Hay más usuarios tanto urbanístico como de servicios, en Van del Meer. Utilizando ambos, C. Rubbia gran medida debido a él. En la Fig. 2 se in- descubrió los bosones vectoriales Z y W estadounidenses trabajando dican varios círculos que corresponden a los que confirmaban definitivamente las teorías diferentes aceleradores, la mayor parte de unificadas electrodébiles. Los dos obtuvieron en el CERN que europeos ellos subterráneos aunque existan accesos el Premio Nobel de Física ese mismo año, en en los laboratorios desde varios lugares, en particular a las zonas 1984. UA1 fue el prototipo de los posteriores experimentales. La Fig. 2 muestra un esquema detectores de partículas. de EE.UU. del conjunto de ellos. En ella puede verse que el anillo del LHC está conectado con otros En el entretiempo se estaba construyendo previos que hacen de inyectores del mismo, un anillo de colisión electrón positrón, con de forma que no es un colisionador aislado una energía inicial por haz de 100 GeV, con sino que utiliza las instalaciones previas de posibilidades de ser incrementada. En él se diversas instalaciones de aceleración. Eso realizaron cuatro experimentos: ALEPH, se conoce como violación de la simetría CP, ha servido no sólo para disminuir su coste y DELPHI, L3 y OPAL, y en los tres primeros que interpreta sus diferencias con la materia. tiempo de construcción, sino también para hubo una importante participación de grupos Este último experimento también estuvo incrementar su rendimiento. Figura 2. Conjunto de aceleradores españoles, tanto en la construcción de los dirigido por un Premio Nobel estadounidense, detectores como en el análisis de los datos. James Cronin. A partir de ese momento se Otros resultados de la Organización son sus Dos de los experimentos estaban dirigidos realizaron otras importantes contribuciones efectos industrial y educativo así como el por Premios Nobel estadounidenses, Sam científicas pero el protagonismo en el CERN beneficio social de sus avances tecnológicos, El LHC está principalmente constituido por Ting y Jacques Steinberger; el equilibrio estuvo en la terminación del LHC y sus como se explica en secciones posteriores del cavidades de aceleración de alta frecuencia EEUU-Europa comenzaba a decantarse a experimentos. texto. En mi opinión faltan por alcanzar (del orden de varios miles de millones de favor de nuestro continente. Con LEP se otros objetivos que aparecen en la sección hertzios), que permiten a los protones de obtuvieron muchos e importantes resultados titulada: “consideraciones personales sobre el los haces recuperar en cada vuelta la energía entre los que destacaremos la determinación CERN”. que pierden, pero también por numerosos del número de componentes elementales El CERN: sus principales logros criostatos y bombas de vacío, para alcanzar y (3 familias de 4 componentes) y la validez Ciertamente ya se vislumbran nuevos pro- mantener los parámetros necesarios de forma del Modelo Estándar, que interpreta en un En medio siglo la parte más importante de yectos, que también mencionaré, el futuro que se obtenga la temperatura que requiere único marco las interacciones electrodébiles la visión de los fundadores del CERN se previsible del CERN, y obviamente su pre- su funcionamiento superconductor y no y las fuertes, lo que conlleva una descripción ha cumplido porque se ha convertido en el sente, está íntimamente ligado al LHC. Es se pierdan las partículas por interacciones única de todas fuerzas con la excepción de la laboratorio más importante de mundo, en necesario, pues, aprovechar al máximo los con las moléculas que puedan existir en los gravitatoria. donde se reciben científicos de la especialidad resultados obtenidos con este dispositivo. dos tubos por los que circulan los haces, así de noventa países, superándose, además, el como por casi 10.000 imanes, en su mayoría Desde mucho antes de terminar el LEP equilibrio intercontinental, pues hay mas superconductores: 1.232 dipolos curvadores (2002) se estaba construyendo el Large usuarios estadounidenses trabajando en el de las trayectorias; 392 imanes cuadripolares, Hadron Collider. Entre la finalización del CERN que europeos en los laboratorios de Detalles sobre el CERN y LHC que sirven para focalizar los haces en un LEP y el inicio y progreso del LHC, con sus EEUU. Otra de la contribuciones a la paz plano, y 2.500 correctores de trayectoria experimentos, el CERN también ha llevado fueron las colaboraciones con España, la ex- En el CERN trabajan 2.400 personas de staff multipolares, todos superconductores. Exis- a cabo otras importantes contribuciones Unión Soviética y con China mucho antes de y 800 becarios y profesores asociados, todos ten asimismo 1.800 conversores de potencia, científicas. Mencionaremos, por su especial que hubiese una apertura hacia estos países. temporales. Recibe una población de 7.000 de 60 amperios a 24.000. En total se relevancia, los dedicados al estudio de la Hay otros ejemplos pasados y en curso. usuarios visitantes que pertenecen a 70 países utilizan 120 toneladas de helio y 10.000 de antimateria, la construcción de una factoría asociados o colaboradores y a los 20 Estados nitrógeno licuado, enfriadas a temperaturas de antimateria que permitió estudiar y El CERN es prácticamente una ciudad pero miembros. Su presupuesto, estable desde superconductoras y el primero de ellos en almacenar antiprotones y la medida de lo que en torno suyo ha habido un gran desarrollo, 1980, es de 750 millones de euros anuales. forma superfluida. La corriente circula por 50 FRA 51
  • 5. 7.000 km de cable superconductor de niobio titanio, de 15 x 1,5 mm, constituido por 32 fibras de 6.000 filamentos del material referido. La longitud total de filamento es equivalente a más de 6 veces la distancia de ida y vuelta entre la tierra al sol. Como anécdota mencionaremos que las fibras podrían transportar 2 MW de potencia aunque aumentando las condiciones de voltaje puede conseguirse transportar una potencia significativamente mayor. Figura 3. Dipolo de curvatura Figura 4. Interconexión entre imanes, con y sin cobertura La Fig. 3 muestra la imagen de un dipolo de curvatura. En ella puede observarse una cubierta de hierro, dentro de la cual Posteriormente se probó cada uno de los se mantiene una temperatura de 70 grados subsectores, trozos de círculo del LHC, a También se rompieron las barreras que separan chos casos se cierra la zona de interacción en kelvin, que abraza la denominada “masa bastante más alta energía, próxima ya al valor los subsectores y las fuerzas originadas los torno a la interacción mediante subdetecto- fría”, cuya temperatura es la del helio líquido. nominal (5 TeV). En el último de ellos, que desplazaron, dañando cerca de una treintena res situados en las partes anterior y posterior Dentro de ella hay piezas que se llaman se encuentra entre la población francesa de de imanes. La sobrepresión de helio, aunque del mismo, para detectar la energía de las “collares”, que sujetan los dos tubos por los St. Genis y el punto más profundo del túnel, muy baja (del orden de la milésima de bar), partículas que lo atraviesan si tener mecanis- que circulan los haces, ya inmersos en helio bajo las montañas del Jura, Echenevex, a las fue capaz de arrancar una puerta blindada mo para detectarlas, como los neutrinos. En superfluido. Los tubos corresponden a los 11.00 se detectó una zona resistiva, donde se del túnel. El helio gas invadió el túnel. algunos el detector no cubre la totalidad del canales de conducción de helio (en rojo), tanto había perdido la superconductividad, entre ángulo sólido en torno a la interacción sino a 4 K como superfluido, los conductos de dos imanes bipolares, con uno cuadrupolar En el momento de preparar esta conferencia que se sitúan en uno solo de los hemisferios. alimentación y las conexiones de alimentación en medio, posiblemente en una interconexión aún no se ha determinado el número exacto En todos se utilizan campos magnéticos, en y de instrumentación. Entre ellas están las eléctrica, quizás originada por un mal de imanes afectados ni la totalidad de daños su mayoría superconductores, para curvar la que controlan el buen funcionamiento de contacto o soldadura. En ese momento la ocasionados. También se están estudiando las trayectoria de las partículas cargadas, distin- los imanes. Las interconexiones entre imanes corriente había alcanzado una intensidad de medidas adicionales por adoptar para prevenir guirlas y realizar medidas de la curvatura que son complejas, de forma que el total sea un 8.400 A. mejor este tipo de accidentes. Se estima que permite una medida de su energía. Siempre conjunto integrado superconductor de 27 su ejecución durará unos seis meses. se hace una selección electrónica y automáti- km. La Fig. 4 muestra una de esas conexiones, Apenas medio segundo después saltaron ca rápida de las interacciones, buscando, en- con y sin cobertura. los convertidores de potencia, pero ya tre los mil millones de interacciones por se- se había establecido un arco eléctrico en gundo que se producen en cada experimento una de las interconexiones entre imanes. Detectores del LHC del LHC, aquellas que interesan en un expe- Este arco eléctrico perforó la envoltura rimento concreto. En general el objetivo de Incidente en la puesta a punto del LHC del helio y, a pesar de que se activaron los Como antes hemos referido, todos los de- cada una de las capas del detector es el mis- resistores de potencia, que son sistemas de tectores instalados en los colisionadores de mo. Primero se trata de detectar las partículas El pasado día 10 de septiembre de 2009 co- seguridad de la pérdida de las condiciones de partículas tienen, desde el experimento UA1, cargadas generadas en la interacción y realizar menzaron las pruebas del LHC. Inicialmente superconductividad, al cabo de 1 segundo la la misma topología. Los subdetectores se ins- una primera determinación de su trayectoria. se probó la circulación de los haces, puesto presión excedió la atmosférica, con lo cual los talan cerca del punto de interacción de las A continuación se determinan las partículas que la energía fue de sólo 0,5 TeV, la misma discos de seguridad situados entre grupos de partículas del haz, en forma de capas, como que interaccionan electrónicamente, más allá que alcanza el SPS, en vez de los 7 TeV no- imanes se abrieron y el helio se escapó desde una cebolla. Con ello se trata de identificar de las que tienen interacciones fuerte como minales. El ensayo tuvo éxito. la cámara aislante al túnel. las partículas generadas en las interacciones, protones, neutrones y piones cargados (los de qué tipo son y cuál es su energía. En mu- neutros viven muy poco tiempo y se mate- 52 FRA 53
  • 6. Típicamente los de interacciones fuertes, la cromodinámica cuántica, que es parte integrante del Modelo experimentos Estándar. multipropósito los típicamente Los experimentos multipropó- realizan 1.500 científicos sito los realizan 1.500 científicos e ingenie- ros de 150 instituciones, procedentes de 30 e ingenieros de 150 países, y cuyo coste en material sobrepasa los 350 M euros, la gran parte de él aportado por instituciones, procedentes los grupos colaboradores. Además el tamaño de 30 países, y cuyo coste es inmenso (ATLAS es equivalente a un edi- ficio de cuatro pisos que llenaría la Basílica en material sobrepasa de Notre Dame de París) y todo el espacio del detector está completamente lleno de los 350 millones de euros componentes que han de ser emplazados con precisión de centésimas de milímetro. Figura 5. Los cuatro detectores del LHC En lo que sigue de esta sección nos referi- remos al experimento CMS (Compact Muon para los experimentos. Siempre se hace una Solenoid) porque es en el que el CIEMAT tie- ne una gran aportación. eL grupo deL ciemat ha construido selección electrónica y rializan en dos fotones). Y, finalmente, los una fracción importante de las cámaras de muones, que atraviesan grandes cantidades La Fig. 6 muestra la estructura del experimen- detección de muones porque ya conocía automática rápida de las de materia antes de llegar al reposo y desapa- to. Tiene un detector central como primera la tecnología desde el experimento L3 de interacciones, buscando, recer por desintegración. capa, después un calorímetro electromagné- LET y porque las interacciones con muones tico y luego uno hadrónico. A continuación tienen particular interés para la física entre los mil millones de En la Fig. 5 se muestran los cuatros detecto- hay un gran imán superconductor de 4 teslas buscada. Dichas cámaras, que son de deriva y res construidos e instalados en el LHC. Dos (el más grande e intenso del mundo), des- utilizan argón y CO2 (85/35%), tienen una interacciones por segundo de ellos son multipropósito porque están pués el hierro que cierra el campo magnético resolución por celda mejor que un cuarto que se producen en cada preparados para detectar todas las interaccio- y finalmente el detector de muones de varias de mm, lo que finalmente se traduce en nes de interés que se plantean en el nuevo capas. Finaliza con otro imán. que se obtiene una precisión mejor del 10% experimento del LHC dominio de energía que cubrirá el colisiona- en la medida de la energía de los muones. dor (ATLAS y CMS) y los otros dos están La Fig. 7 muestra el camino seguido por También el CIEMAT ha participado en la especializados en determinar con precisión las partículas procedentes de la interacción electrónica del experimento así como en la fenómenos poco abundantes en los primeros y la forma de identificarlas. Como puede simulación del análisis, y lo hará activamente (LHCb y ALICE). LHCb tiene como obje- verse las trayectorias espirales de los muones en el mismo. tivo principal determinar las razones de la cambian de sentido después del hierro que diferencia entre materia y antimateria, parti- cierra el campo magnético interno porque Además el CIEMAT ha participado en el de- cularmente a través de la detección y medida este también acaba en sentido opuesto. sarrollo del nuevo sistema de almacenamien- de partículas que contienen el quark b. El de to, transporte y análisis de datos (la GRID) ALICE es determinar un nuevo estado de la Todos los subdetectores están construidos desarrollado para el LHC como banco de materia en que los componentes elementales utilizando las tecnologías que permiten prueba para su utilización social futura como se encontraban libres dentro de los protones alcanzar las más altas precisiones de medida un ingrediente fundamental de las nuevas y los neutrones, estado predicho por la teoría y que han sido desarrolladas expresamente Tecnologías de la Información y las Comuni- 54 FRA 55
  • 7. Figura 6. Estructura del experimento CMS Figura 7. Camino seguido por las partículas procedentes de la interacción caciones (TIC) con repercusión muy amplia, electrones pierden mucha energía en el campo El desafío de los datos del LHC: anteriores, que permite pasar de 40 millones como en el pasado tuvo la Web, desarrollada al curvarse su trayectoria y se convierten en La GRID de Hz, que es la frecuencia con la que se en el CERN. A ello nos referiremos en la sec- espirales que se cierran. cruzan los haces, a 7.500 Hz equivalentes, ción siguiente, más adelante. La cantidad de información que se espera de forma analógica y sobre la base de la En la segunda puede verse la complejidad de los experimentos del LHC es inmensa. información proporcionada por algunas Las Figs. 8 y 9 muestran dos imágenes, una de partículas producidas, por su número. Se detectarán mil millones de interacciones señales de los detectores. En una segunda real, tomada con una cámara de burbujas (la No obstante la mayor parte espiralizan por segundo y la información por captar es fase esa información puede disminuirse de 2 m, del CERN) hace más de treinta años rápidamente debido al campo magnético, equivalente a 1 Petabyte (mil millones) por utilizando procesadores integrados hasta junto a su interpretación, y otra simulada en muy intenso, y porque tienen baja energía. segundo, la misma que generan cien mil telé- 5.000 Hz, y en una tercera, cuya duración es un detector multipropósito del LHC. Sin embargo aparecen cuatro de alta energía, fonos funcionando constantemente durante ya del orden del segundo, se puede disminuir identificados como muones. Es ese un tipo un año. Eso es, con mucho, imposible por más por filtro de la información mediante En la primera se observa la interacción de interacción de las más buscadas ya que ahora. Se hace necesario, pues, seleccionar software convencional. El resultado es de 100 de un mesón K negativo (con uno de los puede ser el resultado de la desintegración electrónica e informáticamente la informa- millones de bytes por segundo, que equivale componentes que es un quark extraño) con de un Higgs en dos bosones Z, que a su vez ción para hacerla accesible (Fig. 10). a 1 Petabyte por año. Es decir con métodos uno de los protones del hidrógeno que llena se desintegran en dos muones cada uno de rápidos puede disminuirse la información la cámara. Pueden verse las partículas que en ellos. A este tipo de interacción se lo llama el Afortunadamente de todas estas interacciones por almacenar y analizar hasta lo inicialmente ella se generan: Un kaón y un pión negativos, “canal de oro”. solo unas pocas, y se sabe cuales, son de generado en 1 año. En todo caso la cantidad una partícula neutra que se desintegra a interés, y el resto es “ruido de fondo”. Además, de información sigue siendo excesiva. cierta distancia de acuerdo con su tiempo éstas se pueden seleccionar en breve tiempo, de vida y otras dos neutras que aparecen analógica y digitalmente. Esa es la razón por El tratamiento de la información sobre también a cierta distancia (son fotones que se la que se lleva a cabo una selección (trigger), las interacciones tiene una característica, materializan en pares electrón–positrón). Los por otra parte ya utilizada en experimentos puede realizarse en paralelo, interacción por 56 FRA 57
  • 8. Figura 8. Fotografía de interacción en cámara de burbujas y su interpretación Figura 9. Interacción simulada en un detector multipropósito del LHC interacción, y también una servidumbre, tiene GRID y ha encomendado al CERN que lo archivos, en administración unificada, en El CIEMAT, además de sus capacidades en que ser accesible y utilizable desde todos los haga. El procedimiento es como sigue: el educación a distancia, etc. su sede, el centro de la Moncloa, ha abier- grupos colaboradores de un experimento. primer ordenador que recibe los datos está to otro en Trujillo, dedicado únicamente a en la Organización (TIER 0) y luego se La Fig. 11 muestra los objetivos, caminos y aplicaciones sociales. El Centro de Trujillo, Es aquí donde entra la GRID, sistema transfieren, después de un tratamiento inicial, campos científicos de aplicación inmediata denominado CETA (Centro Extremeño de ya propuesto para el tratamiento de a 10 nodos situados en diferentes partes del de la GRID (Fig. 10). Tecnologías Avanzadas) – CIEMAT, ha re- la información mediante clústeres de mundo (TIER 1). Existe uno de ellos en la cibido múltiple financiación de la Comisión ordenadores de todo el mundo, unidos Universidad Autónoma de Barcelona, que por líneas de transmisión y conmutación cubre las necesidades ibéricas, sufragado por de banda muy ancha. Las líneas existen en acuerdo ministerial entre la Generalitat de casi todos los continentes, enlazándolos, en Catalunya y el CIEMAT. Después hay varios forma de ramillete. TIER 2 en España, que corresponden uno a cada experimento, y también existen en La GRID también incluirá, enlazándolos, Portugal. los superordenadores, porque hay muchos campos en los que la potencia de cálculo Actualmente el “middleware” de la GRID paralela no es el método adecuado. También está ya operativo, aunque todavía resultaría son objeto de atención por parte de la Unión optimizable. Europea. La GRID ya tiene, incluso en el estado actual, Este proyecto, previsto para Europa aplicación en múltiples campos científicos y como un importante paso en las TIC, ha servicios globales que requieren almacenar encontrado que los experimentos del LHC y analizar muchos datos. Por ejemplo en constituyen un medio para desarrollar la biología y medicina, en climatología, en Figura 10. El desafío de los datos del LHC 58 FRA 59
  • 9. Figura 12. Evolución en el conocimiento de los componentes de la materia hasta principios del siglo XX Figura 11. La GRID Europea y sus actividades implican la cola- Y, dado que eran eléctricamente neutros, durante las últimas décadas sobre las inte- conocida en el Universo, y el neutrino elec- boración con casi toda Iberoamérica, Portu- deberían estar compuestos, junto con los racciones entre partículas elementales han trónico, necesario para describir las desinte- gal y otros cinco países europeos, además del electrones, por otras partículas subatómicas mostrado un acuerdo sin precedentes entre graciones nucleares. Los resultados obtenidos CERN. Se espera extender la colaboración a de carga positiva (protones). Fue entrado ya las observaciones experimentales y el llama- en la última década del siglo XX por los ex- África, especialmente a los países ribereños el siglo XX (1909) cuando E. Rutherford, do Modelo Estándar (una Teoría Cuántica de perimentos situados en el colisionador LEP del Mediterráneo. bombardeando una lámina de oro con iones Campos formulada en consonancia con los del CERN mostraron que existen tres fami- de helio, descubrió que tanto la carga positiva principios de la Relatividad Especial y que lias de fermiones elementales. Estas partícu- del átomo como la mayor parte de su masa describe, mediante Principios de Invariancia las elementales, que constituyen las familias, ¿El LHC y sus detectores, para qué? estaban concentradas en un núcleo central de frente a transformaciones matemáticas, las interactúan entre sí mediante el intercambio dimensiones mucho menores que el átomo y interacciones fundamentales conocidas salvo de partículas de espín entero, denominadas La idea de que La materia está compuesta propuso un modelo en el que los electrones la gravedad: la interacción fuerte, responsable bosones. Conocemos un total de 12 cam- por unidades discretas indivisibles (átomos) orbitaban alrededor de estos núcleos de de la cohesión de los núcleos atómicos y de la pos bosónicos: el fotón, que media en las había sido propuesta ya por los atomistas modo análogo a como los planetas lo hacen fusión y fisión nuclear, la electromagnética, interacciones electromagnéticas, los bosones griegos hacia el siglo VI antes de Cristo. Sin alrededor del Sol. Desde el descubrimiento del que describe las fuerzas electromagnéticas, la W+,W- y Z, responsables de las interacciones embargo no fue hasta principios del siglo neutrón por J. Chadwick, en 1932, se sabía cohesión de la materia y los procesos biológi- débiles, y ocho gluones que median las inte- XIX cuando John Dalton utilizó por primera ya que la materia ordinaria estaba compuesta cos, y la débil, que describe, por ejemplo, la racciones fuertes (Fig. 13). vez el concepto de átomo para explicar las por átomos con los electrones distribuidos inestabilidad de algunas partículas). proporciones entre los componentes en las alrededor de un núcleo muy masivo formado Finalmente, para que la teoría conserve las reacciones químicas y los modos en que estas por protones y neutrones (Fig. 12). En el Modelo Estándar, las entidades ele- probabilidades en las interacciones (sea uni- partículas, únicas e indivisibles, se combinan mentales son los leptones y los quarks, partí- taria), es necesario incorporar una nueva par- para formar los distintos compuestos Conforme se han ido desarrollando acelera- culas ambas de espín semientero (fermiones) tícula de espín 0 (bosón, por tanto) que in- químicos. A finales del XIX (1897), J.J. dores de partículas de mayor energía y de- que se encuentran agrupadas en familias. Por teractúe de un modo concreto con las demás Thomson descubrió que las partículas de tectores más complejos y precisos, durante ejemplo, la primera familia está constituida partículas del modelo. Este bosón se intro- carga eléctrica negativa (electrones) que el siglo XX, hemos profundizado en el co- por los quarks u y d, partículas elementales duce mediante el denominado Mecanismo constituían los llamados “rayos catódicos” nocimiento sobre los constituyentes de la que constituyen los protones y los neutrones, de Higgs que permite, por un lado, que las eran de naturaleza subatómica y, por tanto, materia y las interacciones que tienen lugar junto con los electrones, que permiten cons- magnitudes observables, calculadas median- los átomos no eran entidades elementales. entre ellos (Fig. 12). Los estudios realizados truir los átomos de toda la materia ordinaria te técnicas de perturbaciones, sean finitas (la 60 FRA 61
  • 10. nes de una misma causa. Sin embargo, esto sucede a unas energías tan altas (~1019 GeV; Fig. 15) que los efectos gravitatorios, despre- ciables a las energías de los laboratorios, han de tenerse en cuenta. Por tanto, cabe pensar que para unificar las interacciones fuertes y electrodébiles hay que considerar la gravi- tación y, hasta la fecha, no disponemos de ninguna teoría satisfactoria de partículas ele- mentales que incluya esta interacción ni sa- bemos por qué es tan diferente su intensidad de la del resto de las fuerzas. Otro campo de gran interés en la Física Fun- damental es la Cosmología, que estudia la Figura 13. Comparación entre la sección eficaz Figura 14. Partículas de materia (fermiones) agrupadas en las tres familias conocidas y los bosones creación y evolución del Universo. En este de producción de quarks en la interacción de del Modelo Estándar que median las interacciones fuertes, electromagnéticas y débiles electrones y positrones determinada por los caso, el equivalente al Modelo Estándar es el experimentos de LEP y las predicciones del denominado Modelo de la Gran Explosión, Modelo Estándar para 2, 3 y 4 familias de basado en la Teoría General de la Relatividad fermiones y el Principio Cosmológico. Éste, sólidamen- te fundado en las observaciones realizadas durante las últimas décadas (como el estudio teoría sea renormalizable) y, por otro, que las de la radiación de fondo de microondas y la denominada simetría CP, combinación de partículas del modelo puedan tener masa si abundancia relativa de núcleos ligeros en el las operaciones C, de conjugación de carga es el caso. Es el denominado Bosón de Hi- Universo), describe satisfactoriamente la ma- (cambio de partículas por antipartículas), y ggs, elemento esencial del modelo y único yoría de los fenómenos observados a escalas P, de paridad (reflexión especular). En el Mo- ingrediente que aún no ha sido observado cosmológicas. Sin embargo, existen impor- delo Estándar ésta violación, observada ex- directamente. Sabemos, nuevamente por los tantes inconsistencias cuando se confronta perimentalmente, se describe mediante una resultados obtenidos en el colisionador LEP, con el Modelo Estándar. En este último, por fase compleja introducida ad hoc y no hay que su masa es superior a 114,4 GeV y es de ejemplo, las interacciones entre partículas y argumento alguno que sugiera ni su origen esperar que con la próxima entrada en fun- antipartículas se describen de manera simé- ni su magnitud. Además, los experimentos cionamiento del LHC quede confirmada su trica, pero, según las observaciones realizadas sobre interacciones entre partículas elemen- existencia. hasta la fecha, hasta distancias de ~107 años tales presentan una violación de CP mucho luz de nosotros el Universo parece estar cons- menor de la que se necesita para explicar las Figura 15. Evolución con la energía de la Sin embargo, a pesar del excelente acuerdo tituido exclusivamente por materia. observaciones cosmológicas. intensidad de las interacciones fuertes y observado entre el Modelo Estándar (Fig. electrodébiles y la escala de unificación. 14) y los experimentos realizados hasta la fe- ¿Dónde se encuentra la antimateria? ¿Qué Por otra parte, el estudio del Universo nos cha en laboratorios terrestres, aún existen va- pasó con ella? Para describir de manera co- indica que, realmente, aún no conocemos rios problemas por resolver. Por ejemplo, en herente la evolución del Universo desde un todos los componentes que constituyen la el modelo hay muchos parámetros indeter- estado inicial con simetría entre materia y materia. Al aplicar el Teorema del Virial al minados que han de fijarse mediante la expe- antimateria hasta un estado como el actual movimiento de las galaxias periféricas en veces superior a la de la materia luminosa. rimentación. La unificación de las interaccio- (proceso denominado bariogénesis) es ne- las agrupaciones de galaxias se observó, ya Estudios posteriores, realizados a finales los nes fuertes y electrodébiles justificaría varios cesario que, entre otras cosas, las interac- en los años 30, que la masa contenida en 60 mediante el análisis del efecto Doppler de ellos, al hacerlos diferentes manifestacio- ciones entre partículas elementales violen la los cúmulos galácticos debería ser unas 400 en la velocidad de rotación de las estrellas 62 FRA 63
  • 11. Figura 16. Velocidad de rotación de los planetas en el Sistema Solar Figura 17. Velocidad de rotación de las estrellas periféricas en la galaxia NGC 6503 periféricas de las galaxias, confirmaron la Hubble sabemos que el Universo se encuentra candidatos como, por ejemplo, los bosones determinaron la evolución hasta su estado existencia de una gran cantidad de Materia en una etapa de expansión y, de estar de Kaluza-Klein, que aparecen en teorías con actual. El LHC alcanzará la mayor energía Oscura en los halos galácticos formada por dominado por materia, debería experimentar dimensiones extra, o las nuevas partículas posible hasta el momento en un laboratorio partículas o cuerpos que no emiten ni reflejan una desaceleración debido a la atracción que aparecen en las Teorías Supersimétricas. terrestre y permitirá realizar un estudio suficiente radiación electromagnética para gravitatoria. Sin embargo, la relación entre la En particular, estas teorías introducen una sistemático de la dinámica de las interacciones poder ser observados directamente pero sí distancia y la velocidad de recesión observada nueva simetría de la naturaleza (llamada en condiciones controladas a energías de 14 tienen efectos gravitatorios sobre los cuerpos para objetos lejanos indica que la expansión supersimetría), que relaciona partículas de TeV en el centro de masas lo que supone observados. A grandes rasgos, la luminosidad es acelerada. Estas observaciones, realizadas a espín entero (bosones) con partículas de (Fig. 19) observar que sucedía en el Universo de las galaxias (y, por tanto, la cantidad de finales de los años 90, sugieren la existencia espín semientero (fermiones) y da lugar a cuando tenía una edad del orden de 10-12 estrellas, esencialmente toda la materia de un tipo de energía desconocida (Energía un nuevo bosón por cada fermión existente segundos, un radio de ~1011 metros, una visible de la galaxia) sigue una distribución Oscura) que da lugar a una presión negativa y viceversa. Aparte de solucionar algunos temperatura de ~1011 K y una densidad esférica en la parte central y decrece de un y han sido corroboradas por observaciones de los problemas que presenta el Modelo cercana a los 1.030 g cm-3. modo aproximadamente exponencial hacia posteriores como el efecto de lente Estándar y de ser una simetría necesaria en la los extremos. Según la dinámica newtoniana, gravitatoria en agrupaciones de galaxias. mayoría de los modelos de unificación con la la velocidad de rotación de las estrellas y Los estudios más recientes de la radiación gravitación, la partícula supersimétrica más gas periféricos debería decrecer como r-1/2 de fondo de microondas indican finalmente ligera, denominada generalmente neutralino, España y el CERN siendo r la distancia al centro galáctico como que el Universo está constituido por un 4% es estable y un buen candidato a ser el sucede, por ejemplo, con los planetas en de materia ordinaria como la estudiada en constituyente de la Materia Oscura. Hasta la Desde la entrada de España en el CERN la el Sistema Solar (Fi. 16). Sin embargo, se los aceleradores de partículas y por un 22% fecha, no hay ninguna evidencia experimental Comunidad de Física de Partículas española observa (Fig. 17) que la velocidad de rotación materia oscura y un 74% de energía oscura de la supersimetría pero es de esperar el LHC ha progresado mucho, y con ella la de Física es constante hasta distancias muy lejanas del que son de naturaleza desconocida (Fig. 18). aporte evidencias de su existencia. Nuclear. De 2 Grupos Experimentales y 40 centro galáctico (de hecho, no se observa que científicos antes de la adhesión al CERN se llegue a decrecer). Estos resultados indican Para explicar estas observaciones, es necesario Las interacciones entre todas las partículas ha crecido hasta 10 grupos y 250 científicos que desconocemos la naturaleza del 80% de que la Materia Oscura esté compuesta elementales conocidas y las predichas distribuidos entre el CSIC, el CIEMAT y la materia que constituye el Universo. por algún tipo de partícula no relativista por las diversas extensiones del Modelo varias Universidades, la mayoría participando y las extensiones del Modelo Estándar en Estándar desempeñaron un papel esencial en los experimentos del LHC. Hay, además Por otra parte, de las observaciones de E. Física de Partículas proporcionan varios en los primeros instantes del Universo y 8 grupos de Física Nuclear (133 científicos) 64 FRA 65
  • 12. Figura 18. Naturaleza de los diferentes elementos que constituyen el Universo Figura 19. Historia del Universo mostrando, en escala logarítmica, las relaciones aproximadas entre el tiempo, el radio, la densidad, la temperatura y la energía y la dinámica correspondiente y 13 grupos teóricos (332 científicos) Posibles proyectos de acelerador para de 1031 cm-2s-1, que es muy probable, euros. Esta característica y el hecho de que parcialmente trabajando en la Organización, después del LHC previsiblemente para el año 2015. Su coste solo se alcance el mismo rango de energía del como es usual en la especialidad teórica. superará los 500 millones. Además se LHC lo hacen improbable. En la actualidad el 4,5% del staff del CERN Habitualmente el CERN suele preparar ideas consideran ya dos aceleradores lineales, el es español y la contribución española supone y desarrollar tecnologías para nuevos grandes ILC y el CLIC. CLIC- Es también un colisionador de aproximadamente el 8% de su presupuesto, proyectos que puedan sustituir a los que electrones y positrones. Se pretende alcanzar un poco más de la mitad de lo que comienzan a operar, es decir mucho tiempo ILC– Es un proyecto de acelerador lineal 1,5 TeV de energía en cada haz, lo que correspondería a España pero la distancia antes de que se inauguren. Hay que considerar para hacer colisionar electrones y positrones permitirá conseguir 3 TeV totales de energía, entre los porcentajes sigue disminuyendo. que cada uno de los proyectos supone a una energía de 500 GeV para analizar del orden de 6 veces más que con el ILC. mucho tiempo de estudio, de preparación detalladamente los fenómenos descubiertos El CLIC trata de utilizar nuevos conceptos El retorno industrial del CERN a nuestro tecnológica, de optimización del diseño de la con el LHC ya que las interacciones de de aceleración de los haces para alcanzar país ha sido globalmente equilibrado. En las instalación, de evaluación presupuestaria y, electrones son mas “limpias” (los electrones gradientes también del orden de 150 épocas de construcción de nuevas grandes finalmente, de la aprobación y construcción. sí son componentes elementales, como los MeV/m. Existen proyectos para desarrollar instalaciones suele superar el promedio y en En general el tiempo que suponen todas las quarks, pero no los protones, hechos de las mismas, liderados por el propio CERN. las de explotación científica de las mismas fases descritas es equivalente al tiempo de quarks y gluones). Este dispositivo utiliza muy Estos conceptos están orientados a conseguir disminuye, fundamentalmente porque ape- operación del previo, incluidas sus variaciones complejas y costosas cavidades de aceleración la aceleración no mediante radiofrecuencia nas hay adquisiciones y sí muchos servicios, para optimizar su rendimiento. ya que se pretende alcanzar un gradiente de sino decelerando un haz para lograr otro generalmente adjudicado a empresas locales, energía del orden de 159 MeV/m en lugar de alta energía y de relativamente baja de Francia o Suiza. Son varios los proyectos que ahora se de los 10 MeV/m que ahora se consiguen. frecuencia y transmitiendo la potencia a vislumbran en el horizonte, cuya ejecución En total se producirán 1.400 colisiones por través de estructuras llamadas PETS (Power No se ha obtenido beneficio suficiente efectiva depende de los resultados del LHC segundo y su longitud será de 31 km, que Extraction Transfer Structures). CLIC es más de la tecnología del CERN, en parte por en su primera fase: en primer lugar una podrían conseguirse en Suiza y Francia, en probable que el ILC, tendrá una longitud incapacidad española. mejora del LHC: el SLHC (superLHC) y torno a las instalaciones actuales del CERN. de unos 50 km pero aún no hay estimación sus detectores para alcanzar luminosidades Su coste estimado es de 6.000 millones de de su coste ya que todavía no se conoce la 66 FRA 67
  • 13. tecnología precisa de aceleración. no muchos años: “Durante siglos las relaciones entre ciencia y sociedad han El CIEMAT participa en ambos. En el estado gobernados por un pacto tácito. segundo caso (CLIC) mediante el desarrollo y Generalmente los científicos quieren hacer construcción de los PETS, componente básico descubrimientos que sean universales, bellos de la tecnología hoy en consideración. o fundamentales, ya puedan preverse o no beneficios concretos para la sociedad (…). La sociedad ha estado generalmente dispues- ta a apoyar el trabajo en ciencia pura princi- Otras muy importantes actividades del palmente porque espera que tenga aplicacio- CERN: la conexión social nes bien en la tecnología, en la medicina o en la guerra. Normalmente estas expectativas Las razones que mueven a los científicos a se han mostrado correctas…, pero ahora este dedicarse a sus actividades investigadoras son pacto parece estar en entredicho(…). generalmente vocacionales, personales, pero Figura 20. Destino de los doctores formados en el CERN a muy pocos les mueven razones sociales, Los problemas que ha encontrado el SSC aunque esta actitud vaya progresivamente (Superconting Super Collider) en el Congreso disminuyendo. No pueden olvidar, no son simplemente un desencanto de la ciencia podemos hacerlo, que los presupuestos con pura.” su capacidad tecnológica sino que abren vías nes y en la que hay financiación externa, en- los que se financia la Ciencia se originan en para a acceder más y mejor a mercados inter- tre ellas las de la propia industria; y la tercera las aportaciones de los ciudadanos y estos Consecuentemente se hace necesario, además nacionales. Algunos datos al respecto: de las es el desarrollo de productos de productos tienen todo el derecho de conocer y compartir de justo, extremar la transferencia de tecno- empresas adjudicatarias el 38% desarrollaron nuevos cuyos fondos han de ser industriales. los avances científicos así como la de exigir logía, que es mucha aunque pase inadvertida. nuevos productos y como las que lo hicie- Esta última y parte de la anterior ha de ser beneficios sociales de sus inversiones. Es En este sentido el CERN lo hace a través de ron consiguieron generar, en promedio, casi acompañada por una acertada política de más, el ciudadano se sentirá solidario con la formación de personal, de las compras de tres, se puede afirmar que por cada contrato propiedad intelectual. Puede proceder seguir la investigación si además de conocerla, es equipos de alta tecnología y desde hace no del CERN se genera un nuevo producto. Es el camino de patentar los desarrollos o puede consciente de los beneficios que supone para mucho a través de una transferencia proac- más, el tamaño y la envergadura de la Or- convenir transferir la tecnología sin patentar, él como individuo y para la colectividad. tiva. ganización compensa el esfuerzo de presen- sobre la base de acuerdos. En todos los casos tar ofertas a sus licitaciones. De las empresas hay que incentivar la transferencia, tanto a En este aspecto el CERN también tiene Transferencia a través de personal: La Fig. mencionadas el 18 % crearon nuevos equipos los investigadores y tecnólogos, inventores actividades, cuyo número, además, se 20...muestra a dónde va el personal doctor de I + D, el 42 % afirma haber mejorado su y transferidores de la tecnología, como ser incrementa progresivamente. formado en la Organización. Se observa que imagen internacional, el 44% un importante capaz de mantener el apoyo a las industrias aproximadamente un 60% no siguen un ca- aprendizaje tecnológico y el 36% un apren- o spin-offs durante el tiempo necesario para Procede recordar algunas citas de persona- mino investigador o universitario sino que se dizaje de mercado. garantizar el éxito final. Los fondos del pro- lidades. Albert Einstein decía: “creo, junto dedican a utilizar su excelente información, ceso de transferencia pueden provenir de la con Shopenhauer, que una de las más fuertes más de la mitad de ellos como profesionales Transferencia proactiva: El proceso de trans- industria para que no sea oneroso a los presu- motivaciones de los hombres para entregarse de la industria. ferencia es conocido. Tiene tres fases, lapri- puestos de la investigación. El proceso ha de al arte y a la ciencia es el ansia de huir de la mera es investigadora, que necesariamente estar canalizado a través de profesionales en vida de cada día, con su dolorosa crudeza y Transferencia a través de la compra de equi- depende de presupuestos estatales; la segunda cada uno de los pasos (…). En todos aspec- su horrible monotonía; el deseo de escapar pos: Durante los periodos de construcción es precompetitiva, con desarrollos en domi- tos mencionados el CERN es ya muy eficaz de las cadenas con las que nos atan nuestros de equipos para las grandes instalaciones más nios específicas de tecnologías con aplicación o está en vías de serlo. siempre cambiantes deseos”. del 50 % de su presupuesto de adquisiciones social y el desarrollo de prototipos y demos- Los dominios tecnológicos preferentes de la se dedican a los de alta tecnología. En ellas tradores con interés industrial, en la que la Organización son aquellos que se derivan Y Stephen Weinberg ha comentado, hace las empresas adjudicatarias no solo mejoran Organización ha de extremar sus aportacio- de los desarrollos en los aceleradores, los 68 FRA 69
  • 14. A la comunidades científicas, global y pro- pia de la especialidad: Se pretende informar Para el público en y motivar al personal del CERN, usuarios de la Organización y lo mismo con toda la general se utiliza una comunidad poniéndoles al tanto de los avan- ces, tanto de la especialidad como de la res- red de divulgación tante. La Fig. 21 muestra un resumen de las principales actividades de la Organización al científica que cubre respecto. varios continentes, se Una mención particular merece el programa de formación de educadores. A los profesores preparan y distribuyen de Institutos y Colegios se les invita al programas, se reciben CERN, con beca. Son educadores de todo el mundo. La beca les cubre el viaje y visitas (un total de estancia en el CERN, por periodos de tres meses. Durante los mismos conviven con los aproximadamente científicos y reciben cursos. Posteriormente Figura 21. Educación y comunicación en el CERN. preparan material educativo para difundir en 30.000 al año) y sus países a la vuelta de CERN. se organizan actos detectores y las TIC. Las tecnologías que organizado las cosas de forma que casi nadie Para el público en general se utiliza una red involucran son casi todas las de vanguardia: entiende ni de ciencia ni de tecnología. Son de divulgación científica que cubre varios especiales superconductividad, alto vacío, criogenia, las condiciones idóneas para el desastre. continentes, se preparan y distribuyen mecánica de precisión, electrónica de Podremos quizás continuar durante un cierto programas, se reciben visitas (un total de potencia y radiofrecuencia, detectores de tiempo pero más pronto o más tarde esta aproximadamente 30.000 al año) y se visualización de imágenes, etc. y los campos mezcla combustible de ignorancia y poder organizan actos especiales en la exposición en los que pueden tener consecuencias como nos estallará entre las manos…” permanente del “Globo del Universo” Consideraciones personales las TIC, la Salud, la Energía y otros. un espacio dentro de una construcción sobre el CERN La divulgación científica esta fundamental- emblemática instalada en territorio del También es necesario incrementar los esfuer- mente dirigida a los escolares (Fig. 21), al CERN. Existen además exposiciones La Organización ha alcanzado los objetivos zos en Educación, Comunicación y divulgación público en general y a la propia comunidad itinerantes sobre ciencia y tecnología además que establecieron sus fundadores, porque: científica que el CERN ya lleva a cabo, comple- científica, tanto de la especialidad como la de de otra sobre el valor de la ciencia como mentarios de las dedicadas a la formación de todas la comunidades científicas. vínculos de unión entre los pueblos. • Siendo un laboratorio europeo se ha personal antes referida. Procede referir lo que convertido en el mejor del mundo en ya se hace (…). Para las comunidades científicas se editan va- su especialidad y es el centro de una Los mandatos son los siguientes: rias publicaciones de alto nivel divulgativo. colaboración planetaria. En primer lugar, además de las sentencias de Stephen Weinberg antes mencionada Al Público en general: Se pretende aumentar • El LHC, último de sus aceleradores, citaremos una frase de Carl Sagan, muy el conocimiento de la Organización, su valor es único y se abre a una nueva frontera reveladora, aunque sea un tanto maximalista: cultural y la utilidad de su tecnología. del conocimiento de la estructura de la “Hemos organizado una civilización global materia y de nuestro conocimiento en la que los elementos cruciales dependen A las Escuelas: Se pretende aumentar su sobre el origen del Universo según de la ciencia y la tecnología. También hemos formación en la Física más moderna. el Modelo de la Gran Explosión. 70 FRA 71
  • 15. • Ha dispuesto, y aún dispone, de la mejor infraestructura tecnológica de • La dirección saliente, sin duda clave En todo caso Europa. para finalizar la construcción del mantengamos la actitud acelerador, cometió el error de apresurar su inauguración con un despliegue de Cervantes: Sin embargo, en mi opinión, hay cosas mediático sin precedentes. No era mejorables: necesario. “Sancho, podrán (empeñarse) los • Los proyectos son cada vez más • Conviene reflexionar sobre la costosos, mientras que los presupuestos adaptación del CERN a la época. No encantadores (en) se mantienen constantes, lo que ha estamos ya al final de la Gran Guerra. dado lugar a la externalización parcial quitarnos la ventura de su acervo tecnológico, en un • La participación española en la pero el esfuerzo y el momento en el que Europa busca y Organización ha evolucionado de promueve infraestructuras tecnológicas acuerdo con el desarrollo español. ánimo será imposible” Juan Antonio Rubio de envergadura. En todo caso mantengamos la actitud de Director General Tecnología. • La limitación de sus presupuestos y la Cervantes: del CIEMAT, es En el ámbito univer- avidez natural de los científicos apenas doctor en Ciencias sitario, Juan Anto- deja margen para incrementar el “Sancho, podrán (empeñarse) los encan- AGRADECIMIENTOS Físicas por la Uni- nio Rubio ha sido desarrollo de las aplicaciones sociales. tadores (en) quitarnos la ventura pero el versidad Complu- profesor de Física esfuerzo y el ánimo será imposible” El autor desea expresar su tense. Su trayectoria Nuclear, Mecánica • Existen campos científicos (la Astrofísica reconocimiento a los Drs., M. profesional está Cuántica y Física de Partículas y la Física Nuclear) que Cerrada, Luis García Tabarés y íntimamente vincu- de Partículas en sería conveniente pudiesen ser Carlos Mañá por la excelente lada a la Organiza- las Universidades coordinadas desde la Organización. información suministrada para la ción Europea para Complutense y Au- preparación de esta conferencia. la Investigación tónoma de Madrid. Todo ello está dando lugar a cierta deca- Nuclear (CERN), Además, ha hecho dencia, que deseamos sea limitada en el También desea agradecer al Dr. C. el laboratorio de estancias en los tiempo, porque es seguro que con el LHC Maná por su contribución a alguna Física de Partículas laboratorios del MIT nuevos éxitos científicos están próximos. de las secciones del texto y al Dr. J. más importante (EEUU), Collège de Salicio por su inestimable ayuda con del mundo. En este Francia y DESY en las figuras y con versión final del mismo. organismo ejerció, Alemania. Ha sido CONCLUSIONES entre otras funcio- colaborador de los Finalmente quiere dejar explícito nes, la de Jefe del Premios Nobel de Podemos resumirlas en las siguientes: su reconocimiento a D. J.C. Sanz Grupo de Investiga- Física Samuel C. por su lectura cuidadosa y múltiples ción, Asesor Cien- Ting, Carlo Rubia y • La construcción del LHC está comentarios al mismo y a la Sra. tífico del Director Martín Perl y autor terminada con éxito. C. Sanz por la eficaz gestión de la General, Coordina- o coautor de 360 logística tanto de la conferencia dor y, finalmente, la artículos de investi- • Dada la complejidad de la instalación como del artículo. de Jefe de la Divi- gación. era esperable la aparición de averías. sión de Educación Y en menor medida aún es esperable. y Transferencia de 72 FRA 73