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7/10/09 - DJ:

El Proyecto X y las fronteras de la física

TEL: 6 min. 7 seg.

Logo Proyecto XEl laboratorio Fermi se ha embarcado en un plan para construir un nuevo acelerador de protones. Por ahora se lo conoce como el Proyecto X. Aquí contamos un poco de qué se trata y de la posibilidad de ponerle un nombre.

Se trata de una iniciativa propuesta para un complejo acelerador de protones que podría brindar partículas a diferentes energías para varios experimentos. Los protones podrían ser acelerados para crear un haz de neutrinos de alta intensidad para uso en experimentos como NOvA. Simultáneamente, el Proyecto X podría suplir de protones a experimentos basados en muones y otras aplicaciones están en investigación.
El Proyecto X será construído dentro del colisionador de partículas Tevatron para enviar haces de protones al inyector principal y a otros experimentos.
Fermilab

Los científicos planean usar la tecnología de cavidades superconductoras de radiofrecuencia. Es una forma de acelerar haces de partículas que comienza con celdas de niobio (un metal superconductor) enhebradas como un collar de cavidades anidadas en un criomódulo. Allí son bañadas en helio líquido para mantenerlas ultrafrías. Por estas celdas corre un campo eléctrico que oscila entre positivo y negativo a una tasa de 1,3 mil millones de ciclos por segundo. Cada ciclo u onda cambia la carga de la celda. Cada vez que un protón, positivamente cargado, entra en una celda, esa carga cambia a negativo, lo que atrae al protón. Al dejar el protón la celda, esta cambia a positivo lo que lo empuja. Y así se va propulsando a la partícula de celda en celda.

Diseño conceptual
El diseño original propone un acelerador linear de 8-GeV (en rojo). Los protones podrían ser almacenados en el anillo de almacenamiento (Recycler) y enviados a experimentos que requieran protones de 8 Gev o podrían ser transferidos al inyector principal para acelerar a 120 GeV.
Proyecto X: Diseño Original

El concepto más reciente (abajo) propone un acelerador de ondas lineal de 2 GeV (en rojo) en el que la mayoría de los protones podrían ser usados para varios experimentos (verde) y el resto podrían se acelerados por un sincrotón de rápido ciclo a 8 GeV. Estos últimos seguirían entonces un camino similar al expuesto en el diseño anterior.
Proyecto X: Diseño nuevo


A ponerle un nombre
Proyecto X es un nombre provisorio. Los científicos ya están proponiendo alternativas y también el público. El periodista Dennis Overbye del New York Times comenta en un artículo que la directora de Fermilab, Young-Kee Kim, le dijo en un mail que sería bueno que los lectores de su diario realizaran buenas sugerencias.
Para enviar sugerencias provee una dirección de correo electrónico:
Dra. Kim email: ykkim@fnal.gov

Podemos conocer los nombres ya propuestos en Project X.

Tres fronteras: Energía, intensidad y cósmica
En Fermilab, un robusto programa científico empuja hacia tres fronteras interrelacionadas. El diagrama de Venn ilustra el marco. Cada frontera tiene un enfoque único para realizar descubrimientos y las tres son esenciales para responder preguntas clave acerca de las leyes de la naturaleza y el universo.
Las tres fronteras


La frontera de energía
Frontera de energía
Para crear un acelerador simple, los físicos usan una batería y dos placas de metal paralelas separadas por un vacío. Conectan una placa al positivo de la batería y la otra al negativo. La batería crea un campo eléctrico en el vacío entre las placas. Las partículas cargadas positivamente que entran a ese espacio cerca del positivo experimentan una fuerza y las aceleran hacia la otra placa, negativa, ganando una cantidad de energía que depende del voltaje de la batería. Para una batería de 10 volts, un protón gana 10 electronvoltios o 10 eV, al acelerarse entre las dos placas. Poniendo muchos generadores en línea los físicos pueden acelerar partículas a millones de electronvoltios.

Más poderosos
Al mismo tiempo, es impracticable incrementar el voltaje entre las placas de metal ya que las chispas comenzarían a volar a través del vacío. Para acelerar partículas a energías superiores, los físicos usan un gran número de placas con un agujero en el medio. Usando corrientes alternas, las placas pueden ser cargadas positivamente o negativamente. Una partícula positiva, como un protón, es llevada a la placa negativa volando por el agujero. Cuando el protón pasa a través del hoyo, el voltaje de la placa es cambiado a un valor positivo, dando al protón un empujón extra. Al mismo tiempo la siguiente placa en frente al protón se vuelve negativa, atrayéndolo y acelerándolo. Así, cada espacio entre dos placas le genera energía al protón. Esto ocurre gracias al cambio del voltaje que se realiza miles de millones de veces por segundo, o sea a frecuencias de gigahertz.
Con muchos platos en línea se crean los aceleradores lineales, también llamados linacs, que pueden acelerar partículas a escalas de giga electronvoltios, GeV.

Los señores de los anillos
Pero los físicos también pueden usar imanes para guiar partículas cargadas en un anillo, haciéndolas circular una y otra vez e incrementando su energía. Sin embargo, al ganarse energía empieza a ser difícil mantener a las partículas en su trayecto. Es necesario contar con imanes cada vez más potentes y una mayor circunferencia del anillo. En el Tevatron, los protones son acelerados hasta 1000 GeV o 1 Tera electrón-Voltio TeV. De allí el nombre del acelerador.
Y así llegamos hasta el LHC o Gran Colisionador de Hadrones, el acelerador más poderoso del mundo. Se espera que pueda alcanzar energías de 14 billones de eV!!.

En las fronteras de energía los físicos esperan entender mejor el origen de la masa de las partículas, la asimetría de materia/antimateria, la materia oscura, el origen del universo, la unificación de las fuerzas y la física más allá del modelo estándar. Pero hay más aún...

La frontera de intensidad
Frontera intensidad
El decaimento del protón y la física de neutrinos forman parte de la frontera de intensidad en la que es necesario un gran flujo de partículas difíciles de estudiar y muchos detectores.
Billones de neutrinos naturalmente pasan a través nuestro cada segundo, pero interactúan muy raramente y son muy difíciles de detectar. En el detector MINOS se crean 10 billones de neutrinos cada año. Sólo 1.500 colisionan con átomos dentro del detector. Es por eso que los investigadores se esfuerzan por crear intensos haces empaquetados con muchos neutrinos para crear grandes y precisos experimentos que los muestren interactuando.
Una de las razones de su estudio es entender por qué existimos. Los físicos teorizan que el big bang creó iguales cantidades de materia y antimateria. Cuando estas se encuentran, se aniquilan. Pero, de alguna forma, estamos aquí y casi no hay rastros de antimateria. Si esto es cierto, parece que, en algún momento, la materia y antimateria se comportaban de forma distinta. Los físicos piensan que nada habría cambiado en las leyes de la física si cada partícula fuera una versión especular de sí misma, es decir que sería igual si la partícula fuese como mirada frente a un espejo. Y que tampoco cambiaría nada si se les cambiara su carga. A lo primero se lo denomina simetría P, de paridad. A lo segundo, simetría C, de carga. La suma de ambas constituyen la simetría CP, carga-paridad. Pero la materia y antimateria no son exactamente opuestas, y eso podría explicar la cantidades desbalanceadas. Quebrar (o violar) la simetría CP podría entonces ser la explicación, pero para eso los físicos necesitan observar esa violación en acción. Así, observan el decaimiento de partículas que pueden resultar en materia o antimateria. Si estos decaimientos produjeran materia y antimateria en cantidades similares, sería una nueva física que los investigadores esperan descubrir.

La frontera cósmica
frontera cósmica
¿Podemos seguir escalando en energía e intensidad para observar otros procesos? Aunque la tecnología siga avanzando, el universo nos provee de extraordinarios laboratorios en los que se generan eventos ultrapoderosos. Así llegamos a la frontera del cosmos. Los eventos naturales permiten observar procesos físicos que serían imposibles de investigar en laboratorios terrestres. Se crean entonces experimentos para estudiar los rayos gamma y los rayos cósmicos. En Argentina contamos con el maravilloso Proyecto Auger que estudia estas partículas ultraenergéticas conocidas como rayos cósmicos.
Para que nos hagamos una idea de la escala de energía de la que hablamos: los rayos cósmicos tienen hasta 3x1020eV.
También se buscan las hipotéticas partículas WIMPS que podrían constituir la materia oscura.

Fuentes y links relacionados


Sobre las imágenes


  • Imágenes de Fermilab




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