Ciencia

¿Qué es un acelerador de partículas?

Los aceleradores permiten hacer colisionar partículas a velocidades cercanas a la de la luz para que se descompongan en sus elementos fundamentales y entender así la naturaleza del Universo.
Acelerador partículas

En el mundo de la Física, hay dos misterios asombrosos que llevamos años intentando resolver: cómo era el Universo instantes después de su nacimiento y cuál es la naturaleza fundamental de la materia. Es decir, ¿qué había justo después del Big Bang y de qué están hechas las partículas subatómicas que componen la materia?

En este contexto, quizás nuestra única esperanza son los aceleradores de partículas. Conocidos por todos pero entendidos por muy pocos, estos dispostivos no crean ni agujeros negros ni pueden destruir el mundo, sino que nos permiten responder a las mayores preguntas existenciales del Universo.

Los colisionadores de partículas consiguen acelerar haces de partículas hasta velocidades cercanas a las de la luz para que colisionen entre ellas, esperando que, fruto de la colisión, se descompongan en sus piezas fundamentales que nos permitan responder a las dos preguntas que planteábamos.

Pero, ¿qué es exactamente un acelerador de partículas? ¿Para qué sirve? ¿Qué partículas subatómicas estudia? ¿Qué pasa cuando las partículas subatómicas colisionan entre ellas? En el artículo de hoy responderemos a estas y muchas otras preguntas acerca de las más ambiciosas máquinas creadas por la humanidad. Son una muestra de hasta dónde somos capaces de llegar para comprender la naturaleza del Cosmos.

¿Qué es exactamente un colisionador de partículas?

Los aceleradores o colisionadores de partículas son dispositivos que consiguen acelerar partículas a velocidades increíblemente altas, cercanas a la de la velocidad de la luz, para que colisionen entre ellas a la espera que, fruto de la colisión, estas se descompongan en sus partículas fundamentales.

La definición puede parecer sencilla, pero la ciencia detrás de ella parece propia del futuro. Y es que, ¿cómo funciona un acelerador de partículas? Básicamente, su funcionamiento se basa en exponer a unas partículas (el tipo dependerá del acelerador en cuestión) cargadas eléctricamente a la influencia de unos campos electromagnéticos que, a través de un circuito lineal o circular, permiten que estos haces de partículas alcancen velocidades muy cercanas a las de la luz, que es de 300.000 km/s.

Como hemos dicho, hay dos tipos principales de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. Un acelerador lineal consiste en una sucesión de tubos con placas a los que, estando colocados en línea, se les aplica una corriente eléctrica de carga opuesta a la de las partículas contenidas en dichas placas. De este modo, saltando de placa en placa, cada vez, debido a la repulsión electromagnética, alcanza una velocidad más alta.

Pero, sin duda, los más famosos son los circulares. Los aceleradores de partículas circulares usan no solo las propiedades eléctricas, sino también las magnéticas. Estos dispositivos de conformación circular, permiten disponer de una mayor potencia y, por lo tanto, una aceleración más rápida en menos tiempo que el lineal.

Acelerador partículas qué es

En el mundo, hay decenas de aceleradores de partículas distintos. Pero, evidentemente, el más famoso es el Gran Colisionador de Hadrones. Situado en la frontera entre Francia y Suiza, cerca de la ciudad de Ginebra, el LHC (Large Hadron Collider) es uno de los 9 aceleradores de partículas del Centro Europeo para la investigación Nuclear (CERN).

Y tomando a este acelerador, inaugurado en octubre de 2008, entenderemos qué es exactamente un colisionador de partículas. El LHC es la estructura más grande construida por la humanidad. Se trata de un acelerador circular que, estando enterrado a 100 metros bajo la superficie, tiene una circunferencia de 27 km de longitud. Como vemos, se trata de algo inmnenso. Y muy caro. El Gran Colisionador de Hadrones ha costado, tanto su fabricación como mantenimiento, unos 6.000 millones de dólares.

El LHC es un acelerador de partículas que contiene 9.300 imanes en su interior, los cuales son capaces de generar unos campos magnéticos 100.000 veces más potentes que la fuerza gravitatoria de la Tierra. Y estos imanes, para que puedan funcionar, deben estar increíblemente fríos. Por ello, es el “frigorífico” más grande y potente del mundo. Debemos conseguir que en el interior del acelerador, las temperaturas sean de unos -271,3 ºC, muy cerca del cero absoluto, que es de -273,15 ºC.

Una vez conseguido esto, los campos electromagnéticos consiguen acelerar las partículas hasta velocidades increíblemente altas. Es el circuito donde se alcanzan las velocidades más altas del mundo. Los haces de partículas viajan por la circunferencia del LHC a una velocidad 99,9999991% la de la luz. Están viajando casi a 300.000 km por segundo. En su interior, las partículas están cerca del límite de velocidad del Universo.

Pero para que estas partículas puedan ser aceleradas y colisionar entre ellas sin que haya interferencias, debe conseguirse el vacío dentro del acelerador. No puede haber otras moléculas dentro del circuito. Por ello, el LHC ha conseguido crear un circuito con un vacío artificial menor que el que hay en el espacio entre planetas. Este acelerador de partículas está más vacío que el propio vacío espacial.

En resumen, un acelerador de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones es una máquina en la que, gracias a la aplicación de campos electromagnéticos, conseguimos acelerar partículas hasta velocidades 99,9999991% la de la luz para que colisionen entre ellas, a la espera que se descompongan en sus elementos fundamentales. Pero para ello, el acelerador debe ser increíblemente grande, más vacío que el espacio interplanetario, casi tan frío como el cero absoluto de temperatura y con miles de imanes que permitan esta aceleración de partículas.

Gran Colisionador Hadrones

Mundo cuántico, partículas subatómicas y aceleradores

Pongámonos en contexto. Las partículas subatómicas constituyen el nivel más bajo de organización de la materia (al menos, hasta que la Teoría de Cuerdas no se confirme) y podemos definirlas como todas aquellas unidades aparentemente (y ahora entenderemos por qué decimos esto) indivisibles que conforman los átomos de los elementos o que se encuentran libremente permitiendo que estos átomos interaccionen entre sí.

Estamos hablando de cosas muy pero que muy pequeñas. Las partículas subatómicas tienen un tamaño aproximado, ya que hay enormes diferencias entre ellas, de 0,000000000000000000001 metros. Es tan diminuto que nuestro cerebro no es ni siquiera capaz de imaginarlo.

De hecho, las partículas subatómicas son tan minúsculas que ya no solo es que no podamos imaginarlas, sino que las leyes físicas no se cumplen en ellas. Las partículas subatómicas conforman su propio mundo. Un mundo que no está sujeto a las leyes de la relatividad general que determinan la naturaleza de lo macroscópico (desde el nivel de átomo hasta el galáctico), sino que sigue sus propias reglas del juego: las de la física cuántica.

El mundo cuántico es muy extraño. Sin ir más lejos, una misma partícula puede estar en dos sitios a la vez. No es que haya dos partículas iguales en dos sitios. No. Una única partícula subatómica puede estar existiendo en dos sitios distintos al mismo tiempo. No tiene ningún sentido desde nuestra perspectiva. Pero sí en el mundo cuántico.

Sea como sea, hay, como mínimo, tres partículas subatómicas que todos conocemos: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones son partículas que constituyen el núcleo del átomo, alrededor del cual orbitan (aunque el modelo atómico actual sugiere que esto no es exactamente cierto, pero ya nos vale para entenderlo) los electrones.

Ahora bien, ¿son estas las únicas partículas subatómicas que existen? No. Ni mucho menos. Los electrones son partículas subatómicas elementales, lo que significa que no se forman por unión de otras partículas subatómicas. Pero los protones y los neutrones son partículas subatómicas compuestas, es decir, resultado de la unión de partículas subatómicas elementales.

Digamos que las partículas subatómicas compuestas están formadas por otras partículas subatómicas más simples. Unas partículas que guardan el secreto de la naturaleza de la materia y que están ahí, “escondidas” dentro de los átomos. El problema es que proceden de una edad muy antigua del Universo. Y, por sí solas, se desintegran en pocos instantes. Las partículas subatómicas elementales son muy inestables. Y solo podemos obtenerlas y medirlas con estos aceleradores.

Mundo cuántico

Entonces, ¿para qué sirven los aceleradores de partículas?

Ahora ya hemos entendido un poco (para entender más, necesitaríamos una carrera en física cuántica) qué es un acelerador de partículas. Y estamos diciendo constantemente que su objetivo final es el de hacer colisionar partículas entre ellas. Pero, ¿por qué las hacemos colisionar? ¿Qué pasa cuando chocan? ¿Para qué sirve un acelerador?

Centrémonos en las partículas subatómicas compuestas que hemos comentado. Estas son nuestra llave de acceso al mundo cuántico. Las que, una vez desintegradas en sus partículas elementales, nos permitirán entender la naturaleza última del Universo y el origen de todas las interacciones fundamentales que suceden en él.

Conocemos tres principales partículas subatómicas compuestas: protones, neutrones y hadrones. Los protones y los neutrones son conocidos por todos y, como hemos dicho, están unidos entre sí a través de la fuerza nuclear fuerte, que es el “pegamento” que hace que ambas partículas conformen el núcleo del átomo. Hasta aquí, todo muy típico.

Pero, ¿y los hadrones? Aquí viene lo interesante. No es casualidad que la máquina más cara y grande construida por la humanidad sea un acelerador que haga colisionar hadrones entre sí. Los hadrones son un tipo de partículas subatómicas compuestas que albergan la respuesta de los grandes misterios del Universo.

Cuando hacemos colisionar partículas subatómicas compuestas a velocidades cercanas a las de la luz, la colisión es tan increíblemente energética que no solo es que, durante una ínfima porción de tiempo y a nivel cuántico, se alcancen temperaturas de 1 millón de millones de millones de °C, sino que estas partículas subatómicas aparentemente indivisibles, se “rompen” en sus partículas subatómicas fundamentales.

Decimos “romperse” porque no se rompen en el sentido estricto de la palabra, sino que de la colisión sugen otras partículas subatómicas elementales que, pese a ser muy inestables y desintegrarse en poco tiempo, podemos medir.

Estamos hablando de partículas subatómicas increíblemente pequeñas que se “esconden” dentro de los protones, los neutrones y los hadrones. Y nuestra única manera de descubirlas y/o confirmar su existencia, es haciendo colisionar estas partículas compuestas en los colisionadores.

Es gracias a ellos que hemos descubierto los quarks (los constituyentes de los protones y los neutrones) en los años 60, los neutrinos, los bosones, el bosón de Higgs (la partícula que da masa a las otras partículas) en 2012, los piones, las kaones, los hiperones… Hemos descubierto decenas de partículas, pero nos podrían faltar cientos por descubrir. Cuantas más partículas detectamos, más misterioso resulta el Universo y más preguntas surgen. Pero, sin duda, estos aceleradores son nuestra única herramienta para descifrar el origen de todo. Saber de dónde venimos y de qué estamos hechos. No hay mayor ambición en el mundo de la ciencia.

Colisión partículas
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