EL CERN

Dana Dalgamoni y Andrea Molina, 3º E

La Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN) es uno de los centros más grandes y mejor considerados del mundo para investigación científica. Fue fundado en 1954 y está situado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra. Su objetivo es la física fundamental, la búsqueda del origen y constituyentes últimos de la materia.

En el CERN se realizan cinco tipo de actividades:  trabajar con aceleradores, los experimentos, la física, la informática y la ingeniería.

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El Desacelerador de Antiprotones

El desacelerador de antiprotones aporta antiprotones de baja energía principalmente para el estudio de la antimateria. Anteriormente “las factorías de antiprotones” en el CERN o en cualquier otro sitio consistían en una cadena de aceleradores, cada uno participando en un paso necesario del experimento para producir antiprotones. Ahora, el desacelerador de antiprotones actúa por sí solo haciendo él todo el trabajo, desde hacer antiprotones hasta repartirlos en los experimentos.

El primer paso es un rayo de protones lanzado desde el Protón Sincrotón los cuales son lanzados contra un bloque de metal. La energía de esta colisión es suficiente para que de una entre un millón de colisiones se cree un nuevo par protones-antiprotones.

Un anillo curvado y centrado en el magnetismo mantiene los antiprotones en el mismo camino, mientras que los fuertes campos eléctricos los reducen. Pasando los antiprotones a través de las nubes de electrones  -técnica conocida como “refrigeramiento”- reduce el movimiento lateral y la expansión en energía.

Finalmente, cuando los antiprotones han reducido un 10% de la velocidad de la luz, están listos para ser expulsados. Un “ciclo desacelerador” termina y dura tan solo un minuto.

El Gran Colisionador de Hadrones

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el acelerador de partículas más grande y potente del mundo. Se puso en marcha el 10 de septiembre de 2008, y sigue siendo la adición más reciente del CERN. El LHC consiste en un anillo de 27 kilómetros de imanes superconductores con estructuras aceleradoras para aumentar la energía de las partículas a lo largo del camino.

En el interior del acelerador, dos rayos de partículas de alta energía viajan a velocidades cercanas a la de la luz antes de hacerlas colisionar. Los rayos viajan en direcciones opuestas en tubos de rayos separados. Son guiados alrededor del anillo acelerador por un gran campo magnético mantenido por la superconducción de electromagnetismos.

Los electroimanes se construyen a partir de bobinas de cable eléctrico especial que opera en un estado superconductor para la realización eficiente de electricidad sin resistencia o pérdida de energía. Para ello es necesario el enfriamiento de los imanes a -271.3 ° C, una temperatura más fría que el espacio exterior. Por esta razón, la mayor parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría los imanes, así como a otros servicios de suministro.

Se utilizan miles de imanes de diferentes variedades y tamaños para dirigir los haces alrededor del acelerador. Estos incluyen 1.232 imanes dipolos de 15 metros de longitud que curvan los rayos, y 392 imanes cuadrupolares, separados cada 5-7 metros con el fin de que se centren los rayos. Justo antes de la colisión, otro tipo de imán que se utiliza es uno que “exprime” las partículas, juntándolas para aumentar las posibilidades de colisión. Las partículas son tan pequeñas que la tarea de hacerlos chocar es similar a disparar dos agujas en 10 kilómetros de separación, con tal precisión que tienen un 50% de acierto.CERN 3

Todos los controles del acelerador, de sus servicios y de la infraestructura técnica se encuentran bajo un mismo techo en el Centro de Control del CERN. A partir de aquí, se hacen los tubos en el interior del LHC para chocar en cuatro lugares alrededor del anillo acelerador, lo que corresponde a las posiciones de los cuatro detectores de partículas – ATLAS , CMS , ALICE y LHCb.

El Sincrotrón de Protones

Fue el primer acelerador de protones el 24 de Noviembre de 1959, convirtiéndose durante un corto periodo de tiempo, en el acelerador de partículas con la energía más elevada del mundo. También fue el primer sincrotrón del CERN.

Este acelerador, es muy importante ya que es un componente clave, donde normalmente se aceleran los protones repartidos por el Elevador de voltaje de Protón Sincrotón o los pesados iones del aro con poca energía de Iones.

Inicialmente, fue el acelerador principal para el CERN, pero al pasar los años y construir más experimentos y aceleradores su función principal es suministrar partículas a nuevas máquinas.CERN 4

Está formado por una circunferencia de 628 metros, tiene 277 electroimanes convencionales incluyendo 100 dipolos cuya función es doblar los haces para que pasen por el anillo. Es capaz de operar a velocidades de hasta 25 GeV. Además de protones, se han acelerado partículas alfa (núcleos de helio), núcleos de oxígeno y azufre, electrones, positrones y antiprotones .

El Super Sincrotrón de Protones

El Súper Sincrotrón de Protones es el segundo más grande del conjunto de máquinas del CERN. Tiene casi 7 kilómetros de circunferencia, que toma las partículas desde el Sincrotrón de Protones  y las acelera para proporcionar vigas para el Gran Colisionador de Hadrones, el NA61 / BRILLO y NA62 experimentos, el COMPASS experimento y el proyecto CNGS.

El SPS se convirtió en el caballo de batalla del programa de física de partículas del CERN cuando se encendió en 1976 . La investigación que utiliza haces de MSF ha sondeado la estructura interna de los protones, investigó la preferencia de la naturaleza de la materia sobre la antimateria y buscó la materia, ya que esta pudo aparecer en los primeros instantes del universo, y buscó formas exóticas de la materia. Un suceso importante se produjo en 1983. Fue con el descubrimiento de las partículas W y Z, gracias al SPS que  se ejecuta como un colisionador protón-antiprotón, cuyo investigador recibió el Premio Nobel.

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El MSF opera a velocidades de hasta 450 GeV. Tiene 1.317 electroimanes convencionales, incluyendo 744 dipolos para doblar los haces alrededor del anillo. El acelerador ha manejado muchos tipos de partículas distintas: núcleos de azufre y oxígeno,  electrones, positrones, protones y antiprotones.

*Dipolos: es una aproximación que se hace al campo generado por un circuito cuando la distancia al circuito es mucho mayor a las dimensiones del mismo.

*Sincrotrón: es un tipo de acelerador de partículas. Se diferencia de otros, porque las partículas se mantienen en una órbita cerrada

Los neutrinos del CERN a Gran Sasso

El CNGS apunta a desentrañar algunos de los misterios que rodean a los neutrinos – partículas de luz y neutros que apenas interactúan con la materia-. Existen tres tipos o “sabores” de neutrinos: el neutrino electrónico, el neutrino muón y el neutrino tau. Pero parece que los neutrinos son los camaleones del mundo de las partículas: pueden cambiar de un tipo a otro. Este fenómeno, llamado “oscilación”, se produce cuando los neutrinos viajan largas distancias a través de la materia. El proceso está directamente relacionado con la diminuta masa de los neutrinos.

Entre julio de 2006 y  diciembre de 2012, el proyecto CNGS envió neutrinos muón del CERN para el Laboratorio Nacional Gran Sasso (LNGS), separados por 732 kilómetros en Italia. En el Gran Sasso existen dos experimentos, OPERA e  ÍCARO, para saber si alguno de los neutrinos muón se han transformado en neutrinos tau.

Para crear el haz de neutrinos, un haz de protones desde el Super Sincrotrón de Protones del CERN se dirige hacia un blanco de grafito. Las colisiones crean partículas llamadas piones y kaones, que son alimentados en un sistema de dos lentes magnéticas donde se concentran las partículas en un haz paralelo en la dirección del Gran Sasso. Los piones y kaones luego decaen en muones y neutrinos muón en un túnel de 1 kilómetro. Al final del túnel, un bloque de grafito y metal de 18 metros de espesor absorbe protones. Los muones son detenidos por la roca situada más allá, pero los neutrinos muón se mantienen a raya a través de la roca en su viaje a Italia.

Experimentos que se llevan a cabo en estos aceleradores:

The Large Hadron Collider (LHC)

Son siete experimentos los que se trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones. Se utilizan detectores para analizar miles de partículas producidas por las colisiones en el acelerador.

ATLAS y CMS: En estos experimentos, utiliza detectores de propósito general para investigar la gama más amplia de la física posible.

ALICE y LHCb: Son diseñados con detectores especializados, para centrarse en fenómenos específicos.

TOTEM y LHCf : Son los experimentos más pequeños que hay en el LHC. Se centran en las partículas llamadas “hacia delante”. TOTEM utiliza detectores colocados en cada lado del punto de interacción del CMS, mientras que el LHCf se compone de dos detectores posicionados a lo largo de la línea de luz.

MoEDAL: Usa detectores cerca del LHCb para buscar una hipotética partícula llamada el Monopolo Magnético.

*Más de 30 institutos participan y colaboran con el Cern, uno de ellos:

El Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM, CSIC)

El IMB-CNM está situado en Bellaterra (Cerdanyola del Vallés), en el Campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) en un entorno privilegiado para la investigación tanto básica como aplicada industrial. Junto con la propia UAB y los centros de Investigación en Materiales (ICMAB-CSIC) y de Nanociencia y Nanotecnología (iCN2) forma parte del Barcelona Nanotechnology Cluster-Bellaterra. También, este instituto, ya que forma parte del CSIC, es miembro del Parc de Recerca de la UAB (PRUAB).CERN 6

Este instituto es el mayor centro de investigación y desarrollo en microelectrónica de España. Las actividades realizadas son principalmente la investigación fundamental, la aplicada y el desarrollo en micro y nanoelectrónica.

El IMB-CNM no sólo investiga en nuevas tecnologías y dispositivos, sino que también llega a los aspectos del diseño e integración de subsistemas y sistemas inteligentes completos.

Barcelona Nanotechnology Cluster-Bellaterra

El BCN-b se creó en 2007, reuniendo centros de investigación, laboratorios y empresas asociadas, con el conocimiento, experiencia y recursos para trabajar en el área de nanotecnología.

Se convertirá durante los próximos años, en uno no de los ámbitos de mayor proyección de la UAB y de su entorno, y puede llegar a definir la realidad científica y tecnológica del territorio.

Es un clúster líder en este ámbito y tiene la agregación colaborativa de los departamentos de Física, Química, Geología, Matemáticas, Microelectrónica y Sistemas Electrónicos, Ingeniería Electrónica, Ingeniería Química, Telecomunicaciones e Ingenierías de Sistemas de la UAB, con la ayuda del nuevo centro de Nanociencia y Nanotecnología (Institut Català de Nanotecnologia; ICN-CIN2).
Para más información: CERN, CSIC, Nueva partícula

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