1. El funcionamiento del acelerador de partículas LHC del
CERN (Suiza) y el tema “El Universo” en la asignatura de
“Ciencia para el Mundo Contemporáneo”: una
actualización
Antoni Munar Ara(*), Marcel Aguilella Arzo
Dpt. de Física, Universitat Jaime­I, Castelló de la Plana.
munar@uji.es , arzo@fca.uji.es
La teoría del Big Bang: evidencias
Consecuentemente, si aplicábamos las ecuaciones de Einstein y hacíamos ir el
tiempo hacia atrás, como en el cine, se llegaba a que hace 15.000 millones de
años toda la materia del universo había estado concentrada en un solo punto con
altísimas temperaturas y densidades, y por tanto el Universo se había originado en
una gran explosión: EL BIG BANG
La primera indicación de que nuestro universo no era estático, sino que estaba en
expansión la obtuvo Einstein como una consecuencia teórica de sus ecuaciones. Le
pareció tan sorprendente que introdujo la constante cosmológica A (una densidad de
energía uniforme en todo el universo) para hacer un universo estable.
Posteriormente, Hubble, en 1929, descubrió que las estrellas se alejaban unas
de otras y, cuanto más lejos estaban, más rápidamente se alejaban.
Aplicando nuestros conocimientos teóricos se puede predecir que después de
aquella explosión quedarían unos “rescoldos” en forma de radiación de
microondas que fue predicha en 1948 por el físico Gamow. En el año 1960 fue
descubierta por Arno Penzias y Robert Wilson, ingenieros de la compañía Bell
mientras construían una antena para satélites. Actualmente el 10% del ruido que
vemos en una televisión normal analógica cuando no está sintonizado ningún
canal es debida a esta radiación, resto de una explosión que tuvo lugar hace
15.000 millones de años
El universo y la física de partículas
para comprender lo más grande a veces hay
que comprender lo más pequeño
La teoría del Big Bang supone que existe un punto en el que toda la materia
del universo estuvo concentrada a altísimas temperaturas y presiones. En
estas condiciones toda la materia estaba en forma de partículas
elementales que interaccionaban entre sí
Conociendo como interaccionan las partículas entre sí,
podemos extraer conclusiones de como es nuestro
universo ahora. Por ejemplo la cantidad relativa de
isótopos de Hidrógeno o Helio que existen
actualmente en el universo.
P h o t o n (  ) P r o t o n ( p )
A n t i- P r o t o n ( p )
P a ir p r o d u c t io n
A n n ih il a t io n
P h o t o n (  )
P r o t o n ( p )
A n t i- P r o t o n ( p )
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Además, podemos hacernos una idea de como
son las fuerzas fundamentales de la naturaleza
y su unificación en una única teoría, una de las
últimas aspiraciones de la ciencia, que supone
que existe una única teoría capaz de explicar
los fenómenos naturales de forma científica.
En última instancia se pretende incluso comprender algo de
cómo era el Universo antes del Big Bang. Actualmente
todos los indicios apuntan a que la energía total del
universo es 0, y lo que se produjo fue una fluctuación de
ese “caldo” y esa “fluctuación” dio origen al Big Bang
Estudiar las partículas y las fuerzas
fundamentales
La forma de estudiar como están hechas las cosas por dentro es
lanzarlas unas contra otras para que se hagan pedazos. Pero para
hacer ciencia, necesitamos algo más: que los experimentos sean
reproducibles y que dispongamos de los instrumentos con la precisión
suficiente para identificar y “ver” los fragmentos, y así poder establecer
regularidades y comprobar teorías. Esto se hace con dos grandes
instrumentos: los aceleradores para lanzar las partículas unas contra
otras de forma reproducible y los detectores para detectar
regularidades con la suficiente precisión
Los aceleradores son grandes instalaciones (un túnel de 27
km de circunferencia bajo tierra entre Francia y Suiza en el
caso del CERN) donde los protones (núcleos de hidrógeno)
son acelerados unos contra otros al 99.999% de la velocidad
de la luz 40.000.000 de veces por segundo.
Para conseguir acelerar los protones y mantenerlos en la
trayectoria deseada, hacen faltan potentes campos
magnéticos generados por imanes superconductores (más de
2000) de 30 metros de largo y más de 15 toneladas de peso
que han de estar alineados con precisión de micrones
Los Detectores: unos ojos muy
particulares
De igual forma que decimos que vemos un rayo por
que los electrones del rayo calientan el aire, el aire
desprende luz, la luz es convertida en pulsos
eléctricos en nuestra retina y son procesados por el
“ordenador” que es nuestro cerebro.
Los mismos pasos se utilizan para detectar
partículas. En los detectores, enormes aparatos tan
grandes como un edificio de 8 plantas, las partículas
interaccionan con distintos materiales, produciendo
luz o corriente eléctrica que se convierten en señales
que son después procesadas y analizadas.
Finalmente, estos datos son convertidos en
información por ejemplo, la energía o tipo de
partícula, y los resultados son comparados con las
predicciones de la teoría (por ejemplo, la energía que
debería tener la partícula, o si existen partículas
nuevas, etc...). La tarea es complicada por que sólo
una colisión de entre 10.000.000 es útil.
El último paso es encajar toda esta información en
las teorías existentes y así producir conocimiento
nuevo sobre la naturaleza y el cosmos
Para saber más
-Charla dada en el CEFIRE: http://debiogeo.blogspot.com/2009/03/taller-cmc-el-metode-cientific-munar.html
-Material educativo asequible a los alumnos en castellano, con rigor, los documentales de TVE que se pueden
descargar libremente:
http://www.rtve.es/noticias/cern/ (ver la sección de vídeos).
-En inglés: materiales educativos del CERN
http://public-old.web.cern.ch/public-old/Content/Chapters/Education/OnlineResources/OnlineResources-en.html