Recreando los primeros instantes del Universo El experimento ALICE-LHC del CERN

Introducción

Observaciones astronómicas indican que hace unos 13 mil 700 millones de años ocurrió la Gran Explosión (Big-Bang) iniciando la creación del Universo. Instantes después de este acontecimiento, la materia que compone todo lo que vemos a nuestro alrededor estaba altamente concentrada y sometida a una temperatura extremadamente alta. Esta “bola de fuego” estaba tan caliente (aproximadamente 2 mil millones de millones de grados centígrados, equivalente a 100, 000 veces la temperatura  que encontramos en el interior de nuestro Sol) que las partículas elementales conocidas como quarks y gluones se movían libremente, formando una “sopa nuclear” llamada plasma de quarks y gluones.

Al mismo tiempo que el Universo se expandía, la temperatura caía abruptamente provocando que los  quarks y gluones se agruparan, atados por la fuerza nuclear fuerte. Unos 10 micros segundos después del Big-Bang, los quarks y gluones ya habían formando los protones, neutrones  y otras partículas similares, llamadas hadrones. Este proceso aprisionó a estas partículas en el interior de hadrones, impidiendo verlos nuevamente libres, tal y como aconteció hace miles de millones de años. Visto en este contexto, los protones y neutrones que componen los núcleos de los átomos que conocemos hoy en día son un vestigio del cambio brusco en la constitución de la materia primordial, llamado transición de fase cósmica, similar al cambio que se da cuando el agua se convierte en hielo. Este proceso, también llamado hadronización de quarks y gluones, ha sido motivo de un intenso estudio, tanto a nivel teórico como experimental, logrando notables avances en años recientes. Por ejemplo, entendemos que la fuerza nuclear fuerte impide que los quarks se alejen unos de otros a distancias mayores que el tamaño de los núcleos atómicos, de alrededor de 10-13 cm, y que en el interior de los hadrones, esta fuerza prácticamente desaparece dejando a los quarks moverse libremente en el interior de los protones y neutrones. Este fenómeno llamado libertad asintótica, propio del comportamiento de las interacciones nucleares fuertes entre quarks y gluones, ha sido establecido e incorporado en la llamada Cromodinamica Cuántica (QCD).

Hemos aprendido también que es posible reproducir las condiciones que dieron origen al plasma de quarks y gluones, haciendo chocar núcleos de átomos pesados entre sí, a muy altas energías. Experimentos en el Brookhaven National Laboratory, en Nueva York, Estados Unidos, con su acelerador Ultra-Relativista de Iones Pesados (RHIC) y en el CERN (Centro Europeo de Investigaciones Nucleares), en Ginebra, Suiza, usando el Gran Acelerador de Hadrones (LHC), han observado señales contundentes de la aparición de este plasma, haciendo chocar núcleos de oro y de plomo, respectivamente. Por el hecho de que estas máquinas aceleradoras de partículas nos permiten simular las condiciones primarias del Universo, también son llamadas máquinas del tiempo o telescopios ultra poderosos, por el “el alcance” u “observación” de materia primordial, localizada a distancias astronómicas, muy alejadas de nuestro planeta Tierra.

Mini-Bangs en el laboratorio

El LHC del CERN, localizado en la periferia de la ciudad de Ginebra, ha logrado la marca mundial de hacer chocar entre sí haces de núcleos de plomo, viajando a velocidades ultra-relativistas, a las mayores energías disponibles en un laboratorio terrestre. La energía que se concentra en el punto de colisión de estos núcleos atómicos es suficiente para producir mini-bangs, esto es, explosiones con energías cercanas a la del Big-Bang, pero con muy poca cantidad de materia disponible. Los choques entre estos núcleos pesados, compuestos cada uno de 208 nucleones (protones o neutrones que conviven en el núcleo atómico) producen las condiciones necesarias para reproducir el plasma de quarks y gluones, que apareció en lo primeros microsegundos de vida del Universo. Esto es, los choques entre núcleos de plomo que hemos observamos en LHC logran estados de la materia a temperaturas del orden de 5 mil millones de grados Celsius con densidad de materia muy superior a la de la densidad nuclear que se tiene los hadrones conocidos, equivalente a una densidad del orden de 1017 kg/m3.

El Experimento ALICE-LHC del CERN

Los instrumentos de detección del experimento ALICE (“Experimento de colisiones de iones pesados”) han registrado el resultado de estos tremendos choques y, analizando la información recopilada, ha iniciado un estudio sistemático y profundo de las características del plasma de quarks y gluones. Entre los principales estudios que se están realizando, podemos mencionar las propiedades del flujo elíptico o comportamiento de las partículas que forman el plasma, durante y después de que colapsa este estado de la materia. Otro fenómeno a estudiar es la supresión de la producción de mesones J/Φ , debido a la presencia del plasma de quarks y gluones. Los instrumentos de detección o detectores de partículas de ALICE están divididos en 17 subsistemas de detectores de partículas, destacando:  la Cámara de Proyección Temporal (TPC), que nos permite reconstruir con una enorme precisión la trayectoria de las partículas que resultan de las colisiones entre haces de partículas del LHC; el detector V0 que permite conocer la calidad del haz de partículas del acelerador LHC y que “anuncia” si un evento de colisión es de suficiente calidad para  que ALICE registre y almacene la información producida por todos los sistemas de detección de ALICE y finalmente ACORDE, un detector de rayos cósmicos y de partículas muy energéticas (muones) que permite calibrar la TPC y hacer estudios de astrofísica en el experimento ALICE. Ver Figura 1. Un ejemplo de buen funcionamiento de los detectores de partículas del experimento ALICE se puede ver en la Figura 2, donde se muestra la reconstrucción de un evento de colisión central entre átomos de plomo a las energías del LHC. Este evento es típico de los eventos registrados a finales del año pasado y  su análisis físico nos ha permitido obtener resultados valiosos, que han llevado a un buen número de publicaciones científicas en revistas especializadas.

Detectores del expermento ALICE. En esta esquema se pueden notar la posición de 
los detectores V0 y ACORDE, que fueron hechos por el grupo de mexicanos que
participan en este experimento.

 


El experimento ALICE  inició su toma de datos de colisiones entre núcleos de átomos de plomo a finales del 2010; la experiencia se repitió durante los meses de noviembre y diciembre del año pasado. Se tiene planeado continuar con estos experimentos hasta finales de esta década, incrementando todavía más la energía de colisión de los haces de núcleos pesados e, inclusive, producir choques de núcleos ligeros (iones de  átomos de hidrógeno) con núcleos de átomos pesados (como el plomo), tratando de estudiar la dependencia del plasma, en función del número atómico de los núcleos interactuantes.

La BUAP en el CERN

Estudiantes (de licenciatura y posgrado) e investigadores del Cinvestav, BUAP, Universidad Autónoma de Sinaloa y UNAM han participado en la construcción y operación de los sistemas de detección del experimento ALICE y colaboran en el análisis de los datos obtenidos en la interacción de protones y núcleos de átomos a las energías del LHC, en el CERN. Estudiantes de la BUAP han logrado obtener sus grados de Licenciatura en Física, Ciencias de la Computación y Ciencias de la Electrónica en el diseño, construcción y operación del detector ACORDE del experimento ALICE. Además, han finalizado tesis de Maestría y Doctorado en el Programa de Física Aplicada de la FCFM-BUAP. Inclusive, han participado en elaboración de dos desarrollos tecnológicos que han llevado al registro de dos patentes.

* Facultad de Ciencias Físico Matemáticas, BUAP.

 

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