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 ArzoDpt. 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 i r p r o d u c t i o n

A n n i h i l a t i o n

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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 conocimientonuevo 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 CERNhttp://public-old.web.cern.ch/public-old/Content/Chapters/Education/OnlineResources/OnlineResources-en.html