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El origen del Universo

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el mayor acelerador de partículas del mundo. Se encuentra ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza.

En este experimento, se hacen chocar entre sí principalmente protones, partículas subatómicas formadas por quarks que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos, pero también iones pesados, átomos de plomo a los cuales se les han retirado electrones para tener una carga total positiva.

Las colisiones se realizan dentro de cuatro grandes detectores: ALICE, ATLAS, CMS Y LHCb. Estos registran las partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que componen  la materia de la que está hecha el Universo, y además busca recrear los primeros instantes del origen del Cosmos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar 99.999999% de la  velocidad de la luz, y se les hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permiten simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang.

Es una de las máquinas más complejas construida sus 9,300 imanes superconductores, fundamentales para hacer girar los haces de partículas a velocidades cercanas a las de la luz, deben refrigerarse a una temperatura inferior a la del espacio exterior (-271.3 grados centígrados, cerca del cero absoluto); el interior del anillo es el lugar más vacío del Sistema Solar (10-13 atmósferas) para evitar que las partículas colisionen con moléculas de gas; y cuando las partículas colisionan entre sí, se generan temperaturas 100 mil veces más calientes que el interior del Sol.

Científicos del Departamento de Física del Cinvestav, son pioneros en la participación mexicana en este gran proyecto, donde desde 1995 en ALICE y en 2005 en CMS, han diseñado y construido diversos instrumentos para el LHC, superando diversas propuestas de países europeos.

El conocimiento generado a partir del LHC comienza a utilizarse en diversas áreas, entre ellas la salud, donde se han desarrollado detectores de cáncer. Al mismo tiempo, este proyecto ha servido para formar varias generaciones de estudiantes que ahora trabajan en diversas universidades e industrias del país.

Agradecemos la colaboración de: Alberto Sánchez, Gerardo Herrera, Heriberto Castilla y Ricardo López, investigadores del Cinvestav por su asesoría.

El Gran Colisionador de Hadrones
 
Descifrando el Universo
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1.El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es un acelerador circular de partículas de casi 27 km de diámetro, ubicado a 100 metros bajo tierra. Es considerado el proyecto científico más grande de la historia, donde participan cerca de 10 mil investigadores, provenientes de un centenar de países, incluido México.

El LHC cuenta con cuatro grandes experimentos o detectores: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), dedicado al estudio del Universo temprano; ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) y CMS (Compact Muon Selenoid), ambos concentrados al estudio de física de frontera, además del LHCb, enfocado en el estudio de la materia y antimateria. Actualmente los investigadores del Cinvestav colaboran en los detectores ALICE  y CMS.

 

2. La teoría que mejor describe el origen del Universo es la del “Big Bang”. En la propuesta el Universo completo estaba concentrado en un mismo punto, a partir del cual empezó a expandirse, desde las partículas elementales en los primeros milisegundos, hasta las galaxias que se pueden observar hoy en día.

Para poder estudiar este fenómeno se ha tenido que desarrollar tecnología que permite observar cada una de las etapas por las que ha transitado el Universo. Con el objetivo de analizar los inicios del Cosmos, la humanidad ha creado gigantescos aceleradores de partículas que permiten recrear sus instantes tempranos.

A nivel internacional existen diversos esfuerzos que intentan lograr ese objetivo, desde experimentos ubicados en la Antártida (BICEP2), hasta satélites (COBE) y sondas espaciales (WMAP) o aquellos bajo tierra (LHC) buscan descifrar el Universo.

Las arterias del LHC
 
Primeras partículas
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3. El LHC utiliza cerca de 9 mil 300 imanes hechos de material superconductor, contenidos en tubos metálicos denominados dipolos, que permiten acelerar partículas a velocidades cercanas a las de la luz y a una temperatura de -271ºC, similar a la que existe en el espacio exterior.

Los dipolos forman el anillo del LHC y su interior se convierte en el lugar más vacío del Sistema Solar (10-13 atmósferas), lo cual evita que las partículas colisionen con moléculas de gas. Cuando las partículas colisionan entre sí, se generan temperaturas cien mil veces más calientes que las producidas en el interior del Sol.

 

4. Toda la materia en el Universo está hecha de átomos, los cuales contienen un núcleo compuesto de protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Los protones y los neutrones a su vez se componen de quarks unidos por otras partículas llamadas gluones. Ningún quark ha sido observado en forma aislada como se cree existía en los primeros instantes del origen del Cosmos.

El detector ALICE se diseñó para estudiar la física de la materia que interactúa fuertemente en densidades de energía extremas (temperaturas de150 a 250  mil veces más altas que en el centro del Sol).

En estas condiciones los protones y los neutrones se "funden", liberando a los quarks de sus enlaces con los gluones, a lo que se le denomina plasma de quark-gluon. En la imagen se aprecia la parte central del detector ALICE.

Colaboración Cinvestav - ALICE
 
El Universo líquido
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5. La participación del Cinvestav en el detector ALICE ha permitido el diseño y construcción de los componentes V0 y AD, superando propuestas de científicos europeos. V0 fue diseñado y construido totalmente en el Cinvestav a finales de la década de los 90 y cuenta con dos discos formados con 32 celdas de plástico centellador embebido. Actualmente se desarrolla una actualización (FDD) que se prevé entre en operación en 2020.

El detector AD para el estudio de física difractiva, mejoró la eficiencia de ALICE hasta 30 por ciento. La participación del Cinvestav en ALICE también ha generado la creación de varios grupos de investigación en universidades de México y Perú.

 

6. Uno de los principales hallazgos del detector ALICE fue comprobar que el Universo en sus etapas tempranas tenía propiedades líquidas y no gaseosas, como se pensaba.

El plasma de quarks y gluones que observó el experimento ALICE ofrece la posibilidad de hacer las primeras mediciones experimentales que darán sustento a la Teoría de Cuerdas y su predicción de un Universo líquido. En la imagen se ven los protones en ruta de colisión; al chocar provocan una temperatura extrema que genera el plasma de quaks y gluones; al final la dispersión de las partículas restantes.  

Los recuadros muestran el peso del detector ALICE, así como la gran cantidad de información generada que podría caber en una columna de CD´s de más de 20 km.

En busca de lo desconocido
 
Colaboración del Cinvestav - CMS
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7. El detector CMS está construido alrededor de un gran imán de solenoide. Esto toma la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo de 4 teslas, aproximadamente 100 mil veces el campo magnético de la Tierra.

Cada capa del detector mide diferentes partículas y utiliza estos datos para crear una imagen de cada una de las colisiones. Los científicos usan estos datos para buscar nuevos fenómenos que ayudarán a responder preguntas como: ¿de qué está hecho realmente el Universo?, y ¿qué fuerzas actúan dentro de él?, porque los principales objetivos son la búsqueda de las partículas que forman la materia oscura, dimensiones extra y el Bosón de Higgs.

En la imagen, ingenieros realizan ajustes a la parte central del detector durante un  receso de actividad en 2014.

 

8. En el detector CMS, los científicos del Cinvestav participaron en la construcción del sistema de trazas (el sub-detector más cercano al punto de interacción) y en la operación del detector de muones. Esa intensa colaboración ha permitido que el Cinvestav cuente con un nodo de la World Wide LHC Computing Grid (red de computadoras alrededor del mundo conectadas para almacenar y procesar los datos producidos por el CERN).

Los investigadores del Cinvestav se han especializado en el estudio de hadrones conteniendo al menos un quark bottom, los cuales son producidos abundantemente en el LHC y que gracias a la extraordinaria capacidad de CMS para identificar trazas, vértices y muones, permiten realizar mediciones de alta precisión.

Un hallazgo esperado
 
Los otros detectores
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9. Uno de los principales hallazgos del detector CMS fue la observación (junto con el detector ATLAS) del Bosón de Higgs, un tipo de partícula elemental que  tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa de el Universo.

El Bosón de Higgs era la partícula faltante del llamado Modelo Estándar de la física, teoría que mejor describe las partículas elementales.

Investigadores mexicanos colaboran en el experimento CMS, analizando los datos generados en el LHC y participaron en el descubrimiento. En la imagen la colisión que permitió observar el Bosón de Higgs, realizada en mayo de 2012.

 

10. ATLAS y LHCb son los otros dos detectores principales que conforman el LHC. ATLAS es un experimento multipropósito donde los científicos analizarán una amplia variedad de fenómenos físicos como la búsqueda de partículas que forman la materia oscura, dimensiones extra o el Bosón de Higgs. Además utiliza un enfoque diferente para abordar los mismos tópicos que CMS y así pueden verificarse mutuamente.

LHCb es un experimento especializado en medir los parámetros de la violación CP (o de la simetría) que se observa en los hadrones que incluyen un quark b (bottom) en su composición; lo que significa que estudia la asimetría entre materia y antimateria observada.

El impacto de sus análisis se encuentra en la cosmología, porque trata de explicar el dominio de la materia frente a la antimateria.

 

En este experimento, se hacen chocar entre sí principalmente protones, partículas subatómicas formada por quarks que permanecen unidos debido a la interacción nuclear fuerte entre ellos, pero también iones pesados, átomos de plomo a los cuales se las retirado electrones para tener una carga total positiva.

Las colisiones se realizan dentro de cuatro grandes detectores: ALICE, ATLAS, CMS Y LHCb. Estos registran las partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que componen los elementos que componen la materia de la que está hecha el Universo, y además busca recrear los primeros instantes del origen del cosmos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar 99.999999% de la velocidad de la luz, y se les hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del Big Bang.

Es una de las máquinas más complejas construida nunca: sus 9.300 imanes superconductores, fundamentales para hacer girar los haces de partículas a velocidades cercanas a las de la luz, deben refrigerarse a una temperatura inferior a la del espacio exterior (-271.3 grados centígrados, cerca del cero absoluto); el interior del anillo es el lugar más vacío del Sistema Solar (10-13 atmósferas) para evitar que las partículas colisionen con moléculas de gas; y cuando las partículas colisionan entre sí se generan temperaturas 100 mil veces más calientes que el interior del Sol.

Científicos del Departamento de Física del Cinvestav, son pioneros en la participación mexicana en este gran proyecto, donde desde 1995 en ALICE y en 2005 en CMS, han diseñado y construido diversos instrumentos para el LHC, superando en muchos casos, propuestas de países europeos.

El conocimiento generado a partir del LHC comienza a utilizarse en diversas áreas, entre ellas la salud, donde se han desarrollado detectores de cáncer. Al mismo tiempo, este proyecto ha servido para formar varias generaciones de estudiantes que ahora trabajan en diversas universidades e industria del país.

Agradecemos a los investigadores del Departamento de Física por su asesoría: Alberto Sánchez, Gerardo Herrera, Heriberto Castilla  y Ricardo López­­

El Gran Colisionador de Hadrones
 
Descifrando el Universo
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1.El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es un acelerador circular de partículas de casi 27 km de diámetro, ubicado a 100 metros bajo tierra. Es considerado el proyecto científico más grande de la historia, donde participan cerca de 10 mil investigadores, provenientes de un centenar de países, incluido México.

El LHC cuenta con cuatro grandes experimentos o detectores: ALICE (A Large Ion Collider Experiment), dedicado al estudio del Universo temprano; ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) y CMS (Compact Muon Selenoid), ambos concentrados al estudio de física de frontera, además del LHCb, enfocado en el estudio de la materia y antimateria. Actualmente los investigadores del Cinvestav colaboran en los detectores ALICE  y CMS.

 

2. La teoría que mejor describe el origen del Universo es la del “Big Bang”. En la propuesta el Universo completo estaba concentrado en un mismo punto, a partir del cual empezó a expandirse, desde las partículas elementales en los primeros milisegundos, hasta las galaxias que se pueden observar hoy en día.

Para poder estudiar este fenómeno se ha tenido que desarrollar tecnología que permite observar cada una de las etapas por las que ha transitado el Universo. Con el objetivo de analizar los inicios del Cosmos, la humanidad ha creado gigantescos aceleradores de partículas que permiten recrear sus instantes tempranos.

A nivel internacional existen diversos esfuerzos que intentan lograr ese objetivo, desde experimentos ubicados en la Antártida (BICEP2), hasta satélites (COBE) y sondas espaciales (WMAP) o aquellos bajo tierra (LHC) buscan descifrar el Universo.

Las arterias del LHC
 
Primeras partículas
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3. El LHC utiliza cerca de 9 mil 300 imanes hechos de material superconductor, contenidos en tubos metálicos denominados dipolos, que permiten acelerar partículas a velocidades cercanas a las de la luz y a una temperatura de -271ºC, similar a la que existe en el espacio exterior.

Los dipolos forman el anillo del LHC y su interior se convierte en el lugar más vacío del Sistema Solar (10-13 atmósferas), lo cual evita que las partículas colisionen con moléculas de gas. Cuando las partículas colisionan entre sí, se generan temperaturas cien mil veces más calientes que las producidas en el interior del Sol.

 

4. Toda la materia en el Universo está hecha de átomos, los cuales contienen un núcleo compuesto de protones y neutrones, rodeado por una nube de electrones. Los protones y los neutrones a su vez se componen de quarks unidos por otras partículas llamadas gluones. Ningún quark ha sido observado en forma aislada como se cree existía en los primeros instantes del origen del Cosmos.

El detector ALICE se diseñó para estudiar la física de la materia que interactúa fuertemente en densidades de energía extremas (temperaturas de150 a 250  mil veces más altas que en el centro del Sol).

En estas condiciones los protones y los neutrones se "funden", liberando a los quarks de sus enlaces con los gluones, a lo que se le denomina plasma de quark-gluon. En la imagen se aprecia la parte central del detector ALICE.

Colaboración Cinvestav - ALICE
 
El Universo líquido
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5. La participación del Cinvestav en el detector ALICE ha permitido el diseño y construcción de los componentes V0 y AD, superando propuestas de científicos europeos. V0 fue diseñado y construido totalmente en el Cinvestav a finales de la década de los 90 y cuenta con dos discos formados con 32 celdas de plástico centellador embebido. Actualmente se desarrolla una actualización (FDD) que se prevé entre en operación en 2020.

El detector AD para el estudio de física difractiva, mejoró la eficiencia de ALICE hasta 30 por ciento. La participación del Cinvestav en ALICE también ha generado la creación de varios grupos de investigación en universidades de México y Perú.

 

6. Uno de los principales hallazgos del detector ALICE fue comprobar que el Universo en sus etapas tempranas tenía propiedades líquidas y no gaseosas, como se pensaba.

El plasma de quarks y gluones que observó el experimento ALICE ofrece la posibilidad de hacer las primeras mediciones experimentales que darán sustento a la Teoría de Cuerdas y su predicción de un Universo líquido. En la imagen se ven los protones en ruta de colisión; al chocar provocan una temperatura extrema que genera el plasma de quaks y gluones; al final la dispersión de las partículas restantes.  

Los recuadros muestran el peso del detector ALICE, así como la gran cantidad de información generada que podría caber en una columna de CD´s de más de 20 km.

En busca de lo desconocido
 
Colaboración del Cinvestav - CMS
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7. El detector CMS está construido alrededor de un gran imán de solenoide. Esto toma la forma de una bobina cilíndrica de cable superconductor que genera un campo de 4 teslas, aproximadamente 100 mil veces el campo magnético de la Tierra.

Cada capa del detector mide diferentes partículas y utiliza estos datos para crear una imagen de cada una de las colisiones. Los científicos usan estos datos para buscar nuevos fenómenos que ayudarán a responder preguntas como: ¿de qué está hecho realmente el Universo?, y ¿qué fuerzas actúan dentro de él?, porque los principales objetivos son la búsqueda de las partículas que forman la materia oscura, dimensiones extra y el Bosón de Higgs.

En la imagen, ingenieros realizan ajustes a la parte central del detector durante un  receso de actividad en 2014.

 

8. En el detector CMS, los científicos del Cinvestav participaron en la construcción del sistema de trazas (el sub-detector más cercano al punto de interacción) y en la operación del detector de muones. Esa intensa colaboración ha permitido que el Cinvestav cuente con un nodo de la World Wide LHC Computing Grid (red de computadoras alrededor del mundo conectadas para almacenar y procesar los datos producidos por el CERN).

Los investigadores del Cinvestav se han especializado en el estudio de hadrones conteniendo al menos un quark bottom, los cuales son producidos abundantemente en el LHC y que gracias a la extraordinaria capacidad de CMS para identificar trazas, vértices y muones, permiten realizar mediciones de alta precisión.

Un hallazgo esperado
 
Los otros detectores
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9. Uno de los principales hallazgos del detector CMS fue la observación (junto con el detector ATLAS) del Bosón de Higgs, un tipo de partícula elemental que  tiene un papel fundamental en el mecanismo por el que se origina la masa de el Universo.

El Bosón de Higgs era la partícula faltante del llamado Modelo Estándar de la física, teoría que mejor describe las partículas elementales.

Investigadores mexicanos colaboran en el experimento CMS, analizando los datos generados en el LHC y participaron en el descubrimiento. En la imagen la colisión que permitió observar el Bosón de Higgs, realizada en mayo de 2012.

 

10. ATLAS y LHCb son los otros dos detectores principales que conforman el LHC. ATLAS es un experimento multipropósito donde los científicos analizarán una amplia variedad de fenómenos físicos como la búsqueda de partículas que forman la materia oscura, dimensiones extra o el Bosón de Higgs. Además utiliza un enfoque diferente para abordar los mismos tópicos que CMS y así pueden verificarse mutuamente.

LHCb es un experimento especializado en medir los parámetros de la violación CP (o de la simetría) que se observa en los hadrones que incluyen un quark b (bottom) en su composición; lo que significa que estudia la asimetría entre materia y antimateria observada.

El impacto de sus análisis se encuentra en la cosmología, porque trata de explicar el dominio de la materia frente a la antimateria.

 

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