El LHC reinicia operaciones exitosamente

Los mayores progresos de la civilización se experimentan inicialmente como sus peores amenazas.

 

Alfred North Whitehead

Desde BBC News
Por Paul Rincon
Traducción: KC

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El experimento Gran Colisionador de Hadrones ha reiniciado después de un paréntesis de 14 meses, en los que la máquina estuvo siendo reparado.

Los ingenieros han hecho circular dos haces estables de protones en direcciones opuestas alrededor de la máquina, que está en un túnel bajo la frontera franco-suiza. El equipo intentará aumentar la energía de este colisionador de 10 mil millones de dólares a niveles récord este fin de semana.

El LHC está siendo utilizado para hacer chocar haces de protones en un intento de arrojar luz sobre la naturaleza del Universo. Es la máquina más grande del mundo y está ubicada en un túnel circular de 27 kilometros de largo.

Durante el experimento, los científicos buscarán señales del bosón de Higgs, una partícula subatómica que es crucial para nuestra comprensión actual de la física. Aunque se prevé que existe, los científicos nunca han encontrado evidencias.

Decenas de gigantescos imanes superconductores que aceleran las partículas a la velocidad de la luz han tenido que ser sustituidos después de un fallo ocurrido pocos días después de la inauguración del colisionador el año pasado. Operado por la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN), el LHC creará condiciones similares a los momentos que se presente después del Big Bang.

Pallab Gosh de la BBC en Ginebra, dice que el reinicio del colisionador fue el momento los científicos habían estado esperando. Eso significa que pueden volver a ir en busca de los nuevos descubrimientos que creen que harán retroceder las fronteras de la comprensión de nuestro universo.

“Es grandioso ver los haces que circulan en el LHC de nuevo”, dijo el director general del CERN Rolf Heuer. “Todavía tenemos mucho camino por recorrer antes de que la física puede empezar, pero con este hito estamos en el buen camino”.

Los ingenieros enviaron el primer haz por todo el camino de la circunferencia del LHC 100 metros bajo tierra después de las 19:30 GMT del viernes.

Inventario rápido de reparaciones en el LHC (ver imagen de entrada):

1 – 14 cuadrupolos magnéticos reemplazados

2 – 39 dipolos magnéticos reemplazados

3 – Mas de 200 conexiones eléctricas reparadas

4 – Limpieza de más de 4 km de ducto de haces

5 – Nuevo sistema de retención instalado para algunos imanes
6 – Cientos de nuevos puertos de helio instalados en torno a la máquina
7 – Miles de detectores añadidos al sistema de alerta temprana

Intento de récord

Los haces están formados de “paquetes” – cada uno de aproximadamente un metro de largo – que contiene miles de millones de protones. Pero estos se disipan si se les deja a su suerte. Las fuerzas eléctricas deben ser utilizadas para “contener” los protones. Esto los mantiene bien hacinados en los paquetes, en un haz estable que circula por los túneles.

Los ingenieros no se había previsto para tratar de hacer circular un haz antes de las 06:00 GMT del sábado.

James Gillies, director de comunicación del CERN, dijo a la BBC: “Ocurrió más rápido de lo que nadie podría haber soñado. Todo ha ido muy bien.”

El Dr. Gillies, dijo que si todo seguía yendo bien, el CERN podría tratar de alcanzar un récord de energía del haz de 1.2 billones de electrón voltios este fin de semana. Sólo el acelerador de partículas Tevatron, en Chicago, EE.UU., se ha llevado a esta energía, y operan en poco menos de un billón de electrón-voltios.

Sin embargo, otros miembros del equipo desean mantener el haz circulando a baja energía e intentar en primer lugar colisionar protones del haz en la máquina.

“El LHC es una máquina mucho mejor entendida de lo que era hace un año”, dijo Steve Myers, director del CERN para aceleradores.

“Hemos aprendido de nuestra experiencia, la ingeniería y la tecnología que nos permite seguir adelante. Así es como se hace el progreso”.

Se inyectaron haces de partículas en el LHC

¡Qué pobre memoria es aquélla que sólo funciona hacia atrás!

Lewis Carroll

Desde BBC News
Traducción: KC

 

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Los ingenieros que trabajan en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han inyectado con éxito haces de partículas en dos secciones de la enorme máquina.

Un portavoz del LHC, dijo que era la primera vez que hay haces de partículas en el LHC desde que se cerró a finales de septiembre de 2008.

Los científicos que trabajan en el acelerador de partículas gigante describen el éxito como “un hito”. Ellos planean hacer circular un haz por todo el túnel de 27 kilometros de largo, en noviembre.

El LHC se cerró poco después de su encendido de inicio el año pasado, cuando un problema de un imán llamado “mitigación” causó que una tonelada de helio líquido se filtrase dentro del túnel.

Este es un trabajo de sincronización

Gianluigi Arduini, CERN

Desde entonces, los ingenieros han estado trabajando para reparar los daños. Recientemente, los ocho sectores del LHC se enfríaron hasta la temperatura de funcionamiento de 1.9 Kelvin (-271C, -456F) – más frío que el espacio profundo.

Los días 23 y 25 de octubre, fueron inyectados haces de protones y de iones de plomo en el anillo del LHC, y fueron dirigidos con éxito, tanto en sentido horario y en sentido antihorario a través de dos de los ocho sectores. Cada sector es de aproximadamente 3.5 kilometros de largo.

El frío extremo permite a los imanes en el interior del LHC alinearse y acelerar el haz, para convertirse en “superconductores”. Esto significa que conducen corriente eléctrica con resistencia cero y muy poca pérdida de potencia.

Gianluigi Arduini, subjefe de hardware para la puesta en marcha del LHC, dijo a la BBC que la prueba de haces demostró que los sistemas del colisionador funcionaban correctamente. “Este es un trabajo de sincronización”, dijo.

“Los imanes rápidos deben estar sincronizados a fin de acelerar los haces y transferirlos de un acelerador al siguiente y, finalmente, al LHC, que debe estar sincronizado para aceptarlo. “Todo este proceso ocurre dentro de un intervalo de 100 picosegundos – un picosegundo es una millonésima de una millonésima de segundo.”

Los haces fueron inyectados a 450 mil millones de electrón-voltios, sólo una fracción de la energía que tendrán como objetivo los científicos cuando intenten hacer chocar dos haces de partículas. Estos haces serán conducidos por tuberías que pasan a través de los imanes – viajando en direcciones opuestas a una velocidad cercana a la de la luz.

El Dr. Arduini dijo: “El objetivo una vez que el haz esté circulando es acelerar [el haz] hasta 3.5 [billones de electrón-voltios]. “Pero eso será en etapas. En primer lugar, irá a uno, y luego 3.5 … entonces a partir de 2011 vamos a tratar de ir a siete.”

En los puntos asignados en el túnel, los haces de protones cruzan caminos, impactando uno contra el otro. Los científicos esperan ver las nuevas partículas en los residuos de estas colisiones que pueden revelar puntos de vista del “Big Bang” y la naturaleza del Universo.

Imagen: Túnel del LHC (CERN / M.Brice)

Los elefantes y los neutrinos

En lo que acción se refiere, el hombre no puede hacer otra cosa que aproximar o separar los cuerpos naturales; lo demás lo realiza la naturaleza.

Sir Francis Bacon

Desde Nature
Por Killugudi Jayaraman
Traducción: KC

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Los conservacionistas desafían al observatorio de física en una reserva india de vida silvestre .

El ministro Indio del ambiente Jairam Ramesh, visitará el sitio propuesto para un laboratorio subterráneo de neutrinos el próximo mes, para tratar de romper el impasse entre los físicos y los ecologistas sobre su construcción.

El Observatorio de Neutrinos de la India (INO) de $160 millones de dólares, debería haber sido concluido en 2012 para estudiar las elusivas partículas conocidas como neutrinos (véase Nature 450, 13; 2007). Sin embargo, su construcción está sumida en una controversia sobre la conveniencia de ubicar la instalación en el importante hábitat de elefantes y tigres en Singara en la Reserva de la Biosfera Nilgiri, 250 kilómetros al sur de Bangalore.

El Observatorio solicitó permiso para iniciar la construcción en el sitio Singara en 2006, “no ha habido respuesta hasta la fecha”, dice el portavoz del proyecto Naba Mondal, un físico del Instituto Tata de Investigación Fundamental en Mumbai. “Todo lo que sé es que no se ha despejado el terreno”, dice A. S. Balanathan, jefe principal conservador de los bosques para el estado de Tamil Nadu, que no quiso hacer más comentarios.

El mes pasado, 11 de los físicos más importantes, incluyendo premios Nobel Sheldon Glashow y Masatoshi Koshiba, escribieron al Primer Ministro de India Manmohan Singh instando a que se aprobara el proyecto. “El INO traerá ciencia más grande a la India y reforzará el papel de la India como actor importante en la ciencia de primera línea”, escribieron. Mientras tanto, los prominentes conservacionistas Indios están circulando firmando una carta en la que establecen sus preocupaciones y pidiendo que el Observatorio debe estar situado en otro lugar.

La reserva de Nilgiri incluye más de 5,500 kilómetros cuadrados de cubierta boscosa continua y seis áreas protegidas. La ubicación propuesta para el INO se ubica a 7 kilómetros del borde de uno de los santuarios. El proyecto consiste en la excavación de una caverna de 120 metros de larga al final de un largo túnel de 2 kilómetros dentro de una montaña. La caverna será la casa de un calorímetro de hierro magnetizado para detectar los muones que se producen en ocasiones cuando los neutrinos interactúan con la materia.

La controversia se debe a los desacuerdos sobre el impacto de la construcción de túneles y el aumento de la población humana en los ecosistemas frágiles. “El transporte de los cerca de 630,000 toneladas de escombros y 147,000 toneladas de material de construcción requeriría alrededor de 156,000 viajes de camiones a través de 35 kilómetros de bosque – y dos reservas de tigres”, dice la Alianza NBR, un grupo de organizaciones Indias interesadas en la reserva. Esto significa 468,000 horas de perturbación de las rutas de movimiento de los animales, estima la Alianza.

El equipo del INO “difícilmente podría haber elegido un sitio en la India más probable daño a la fauna silvestre”, dice John Seed, un ecologista australiano que ha investigado el hábitat de los elefantes en la India. “Además de ser hogar de la población más grande de elefantes asiáticos en el mundo”, dice, “el Nilgiri es también uno de los hábitats del tigre más importantes en el país”.

Mondal se opone a la cifra de los desechos de la construcción y dice que el proyecto limitará el número de viajes de camiones al día y que se harían sólo de día. Pero Priya Davidar, un ecólogo de la Universidad de Pondicherry, dice que la evaluación de impacto ambiental del proyecto presentada a los funcionarios del Estado adolece de graves defectos. Davidar es presidente de la Asociación para la Biología Tropical y Conservación, con sede en Washington DC, que aprobó su propia resolución instando al gobierno de la India a no permitir la construcción y buscar un lugar alternativo.

Davidar critica el proyecto por limitar su búsqueda a sólo dos sitios; un lugar mejor, dice, habría sido la mina de oro de Kolar en el vecino estado de Karnataka, utilizado para la detección de neutrinos en 1965. Pero la mina de Kolar está cerrada y llena de agua, y no es adecuada para bajar materiales pesados, dice Mondal. Después de considerar otros sitios, su equipo, junto con el Servicio Geológico de la India, identificaron Singara como “el mejor sitio para localizar el INO, con base en la seguridad, sismicidad, así como la accesibilidad durante el año”.

El ministro realizará una visita el 10 de octubre. Si se rechaza el permiso de construcción, INO puede tener que empezar a buscar otro sitio.

Detectan monopolos magnéticos

La soledad es una gran fuerza que preserva de muchos peligros.

Herni Dominique Lacordaire

Desde Neofronteras
Comentario: KC

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Era mediados de la década de 1970 y aún estudiaba aún el primer año la carrera de física, cuando ví un día en el periódico la noticia de que se había descubierto el famoso “monopolo” magnético. Recuerdo que llevé el periódico a la Universidad para mostrárselo al Dr. Eduardo Piña Garza, en ese entonces uno de mis profesores favoritos. Al leer el artículo, su veredicto fue inapelable: “Esas son tonterías, no puede haber un monopolo”, y acto seguido se aventó una serie de ecuaciones en la pizarra para demostrar que era imposible la existencia de un monopolo.

Bueno, al parecer nos tardamos más de 30 años para saber que ni la nota del periódico tenía razón (en ese entonces la medición reportada no bastó para asegurar que lo detectado era el monopolo), ni tampoco el malabarismo algebraico del buen Dr. Piña. Un grupo de físicos alemanes publicó tecientemente los resultados de un experimento que muestra la existencia de un monopolo magnético, no como una partícula sino como un estado de la materia. Aquí una reproduciión de la nota en Neofronteras:

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Afirman haber podido detectar por primera vez monopolos magnéticos como un estado de la materia que se daría a partir de una disposición especial de los momentos magnéticos dentro de un cristal a baja temperatura.

Investigadores del Centro Helmholtz de Berlín, en cooperación con colaboradores de Dresden, St. Andrews, La Plata y Oxford dicen haber observado por primera vez un monopolo magnético y cómo éste emerge de un material real. Su resultado se publicó en Science el pasado 3 de septiembre.

Hagamos un repaso del concepto de monopolo magnético con la ayuda de un poquito de Análisis Vectorial que nos permita entender bien este hallazgo que, aunque interesante, no es tan espectacular como pudiera parecer a primera vista. Esta introducción espantará a algunos lectores, pero puede ser interesante para aquellos estudiantes de electromagnetismo que quieran aprender sobre el asunto.

Todos sabemos que hay cargas eléctricas de distinto signo, tanto positivas como negativas. De este modo podemos reunir unas cuantas cargas de un signo dado en un recinto espacial y ver cómo todas las líneas de campo entran o salen del mismo a través de su superficie. Esto viene dado por la ley de Gauss del campo electrostático, que es una de las leyes de Maxwell. En su forma diferencial se escribe de la siguiente forma:

Donde E es el campo eléctrico. Mientras que en su forma integral viene dada por:

O lo que es lo mismo: si sumamos las líneas de campo E que salen y entran en una superficie cerrada nos dará la distribución de carga total encerrada dentro de esa superficie. Para situaciones con geometría esférica este problema es trivial, pues el campo será equivalente al generado por una carga puntual, pero no lo es tanto si es de otro modo. También nos dice que el campo dentro de una esfera hueca cargada es nulo, puesto que cualquier superficie cerrada interior no contiene ninguna carga.

Al igual que hay una ley de Gauss para el campo electrostático hay otra para el campo magnético, que en su forma diferencial es la siguiente:

Donde B es el campo magnético. Mientras que en su forma integral es:

Esta ley nos dice que si consideramos una superficie cerrada saldrán y entrarán el mismo número de líneas de campo magnético de tal modo que su suma siempre será nula. Es decir, el flujo de campo magnético es siempre cero a través de esa superficie. O lo que es lo mismo, esto nos dice que no podemos situar polos magnéticos de un signo dado en una región espacial de tal modo que solo entren (o salgan) líneas de campo y que por tanto dentro haya una cantidad neta de polos norte (o sur).

Si tenemos un imán (un dipolo magnético) da igual cómo dispongamos una superficie cerrada a su alrededor, siempre habrá un flujo neto nulo de campo magnético. Y si partimos el imán por la mitad crearemos dos imanes (dos dipolos) con sus respectivos polos norte y sur cada uno. Así es la Naturaleza, y hasta ahora así se ha mostrado en todos los experimentos realizados.

En los años treinta del pasado siglo Paul Dirac realizó unos cálculos teóricos que indicaban que si existieran los monopolos magnéticos, entonces se podría cuantizar fácilmente la carga del electrón. Bastaría que existiera un sólo monopolo magnético en el Universo para que los electrones tuvieran la carga que tienen y no otra.

Si admitimos la existencia de monopolos entonces hay que modificar las leyes de Maxwell, cambiando la ecuación que hemos visto antes por esta otra:

Esto nos dice que, al igual que en caso electrostático, sí podemos situar “cargas magnéticas” en un sitio de tal modo que la superficie que las encierre sea atravesada por un flujo neto de campo magnético (no nulo).

Una de las posibles maneras de existencia de estos monopolos magnéticos vendría dada por una hipotética partícula elemental pesada que se habría generado durante el Big Bang o en procesos de muy alta energía. Desde hace décadas se han realizado experimentos (Blas Cabrera y otros) en busca de estas hipotéticas partículas en los rayos cósmicos, pero han sido un fracaso hasta ahora. Cosa que es una auténtica pena, pues sería espectacular que estas partículas existieran.

Otra manera en la que se podrían dar los monopolos sería en forma de disposiciones topológicas, de extremos de unos tubos denominados cuerdas de Dirac y que hasta ahora tampoco se habían detectado.

Montaje experimental. Foto: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.

Precisamente, este grupo de investigadores dispuso un montaje experimental especial para poder detectar estas cuerdas de Dirac. Hicieron que un chorro de neutrones impactara sobre una muestra a la que aplicaban un campo magnético. En el interior de la muestra se formaban cuerdas de Dirac que dispersaban los neutrones con un patrón específico que delataba su presencia.

La muestra era un cristal de titanato de disprosio. La estructura cristalina de este compuesto tiene una geometría notable, de tal modo que los momentos magnéticos de su interior se organizan en lo que se llama un “espagueti de espines”. El nombre viene de la ordenación de los dipolos, que forman una red de tubos contorsionados (cuerdas) por los que se transporta flujo magnético.

Estos tubos pueden “hacerse visibles” cuando los neutrones interaccionan con ellos; pues los neutrones, aunque no tienen carga eléctrica, sí tienen momento magnético. El patrón de dispersión de los neutrones obtenido es una representación recíproca de las cuerdas de Dirac contenidas en la muestra.

Con el campo magnético aplicado los investigadores podían controlar la simetría y orientación de las cuerdas. A temperaturas de entre 0.6 a 2 grados Kelvin los investigadores pudieron ver pruebas de la existencia de monopolos magnéticos (la temperatura suele ser la peor enemiga del magnetismo, pues tiene a desordenarlo todo) en forma de este tipo de cuerdas según se acaba de describir.

Además pudieron ver la firma que en la capacidad calorífica dejada el gas de monopolos, viendo que estas cuerdas interaccionan de manera similar a como lo hacen las cargas eléctricas, lo que era de prever para el caso de monopolos magnéticos.

En este resultado los monopolos no son partículas, sino que emergen como un estado de la materia, en concreto a partir de un arreglo especial de los dipolos que forman parte del material.

No es algo tan espectacular como sería detectar una partícula de monopolo magnético en el vacío, pero es interesante por constituir una propiedad fundamental de la materia. Según uno de los autores estas propiedades recientemente descubiertas son, en general, válidas para la misma topología, es decir, para momentos magnéticos que formen el mismo tipo de red cristalina.

Especulan que en principio quizás se podrían desarrollar nuevas tecnologías basadas en este tipo de fenómenos.

Fuentes y referencias:
Nota de prensa.
Artículo original (resumen).
Foto de cabecera: espagueti de espines, ilustración: HZB, D.J.P. Morris y A. Tennant.

Nuevos resultados pueden confirmar la materia oscura

Lo oscuro acabamos viéndolo; lo completamente claro lleva más tiempo.

Edward Roscoe Murrow

Desde Nature
Por Zeeya Merali
Traducción: KC

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La turbia caza de materia oscura acaba de ponerse un poco más brillante. Nuevos resultados de rayos gamma del telescopio Fermi los encajan con anteriores sugerencias tentadoras de una detección de la misteriosa sustancia.

El año pasado, una serie de experimentos independientes causó revuelo, ya que parecía haberse detectado señales de materia oscura, que se piensa representa el 85% de la materia del universo .

“Ha habido un enorme entusiasmo por señales de rayos cósmicos que tienen a la materia oscura como una posible explicación”, dice Neal Weiner en la Universidad de Nueva York. En concreto, el satélite PAMELA (Carga útil de Exploración Astrofísica de Antimateria y Núcleos ligeros) y el telescopio Fermi han detectado un excedente de electrones de alta energía y antielectrons, también llamados positrones, zumbando a través del espacio. Los resultados fueron interesantes porque tales excesos pueden ser producidos cuando partículas de materia oscura se aniquilan o decaen (ver “Se profundiza la intriga sobre la materia oscura“).

Sin embargo, la partículas de alta energía también podría tener orígenes mucho más mundanos, por ejemplo, podrían haber sido emitidos por los púlsares. “Una pregunta importante es: ¿cómo vamos a determinar si es materia oscura o alguna fuente astrofísica?” Dice Weiner.

Largo camino

Una manera de dilucidarlo es mirar los fotones de rayos gamma de alta energía que acompañan la detección. Todos los modelos de materia oscura que podría explicar los datos de PAMELA y Fermi predicen que los electrones y positrones de alta energía se unirán produciendo fotones comunes de luz de estrellas y luego lanzándolos hacia energías de rayos gamma, dice Weiner. El telescopio Fermi ha estado buscando esta señal de rayos gamma, y la semana pasada DrellPersis de la SLAC National Accelerator Laboratory en Menlo Park, California, presentó los resultados en la conferencia sobre Astrofísica de Partículas TeV, celebrada en SLAC, mostrando que había un pico de rayos ua gamma alrededor de 100 GeV – justo donde los modelos de materia oscura predicen.

Drell presentó datos de señales de rayos gamma en el centro galáctico y más allá de una región del cielo conocida como el centro de la galaxia. El equipo de Weiner ha comparado la señal de rayos gamma de la galaxia interior con las predicciones hechas por los modelos de materia oscura, y encontraron una buena semejanza (http://arxiv.org/abs/0907.3953).

Weiner y sus colegas dicen que los resultados son “ciertamente apasionantes”. Sin embargo, Weiner subraya que los resultados siguen siendo perfectamente compatibles con la posibilidad de que no haya ninguna señal de materia oscura.

También hace hincapié en que el grupo de Fermi presentaron datos preliminares que se seguirán perfeccionando. Él tiene la esperanza de que en el futuro los datos de Fermi deberían aclarar cualquier confusión. “Como Fermi reduce su campo de visión, su sensibilidad aumentará, y hay perspectivas de algunos resultados muy importantes y emocionantes”, dice.

Piergiorgio Picozza, un miembro del equipo PAMELA con sede en la Universidad Tor Vergata de Roma en Italia, estuvo de acuerdo en que es demasiado pronto para sacar conclusiones. Señala que ha habido una serie de documentos que debaten los resultados de Fermi y PAMELA, muchos de los cuales dan conclusiones contradictorias, y dice, “Creo que el camino hacia la verdad es todavía muy largo”.

Corregido: Persis Drell no es un miembro del equipo de Fermi, como se dijo en una versión anterior de esta historia.

Referencias
Cholis, I. et al., Preimpresión en http://arxiv.org/abs/0907.3953 (2009).

Imagen: NASA/DOE/International LAT Team.