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El LEP se construyó en un túnel aproximadamente circular en el subsuelo del CERN, a las afueras de la ciudad de Ginebra, bajo la frontera entre Suiza y Francia. Es un acelerador de partículas de tipo sincrotón, donde las mayores pérdidas de energía se deben debido a la radiación que lleva el mismo nombre. Dichas pérdidas crecen con la aceleración centrípeta de las partículas en el túnel, por lo que la mejor forma de reducir las pérdidas es excavar el túnel con el mayor radio posible, dentro del presupuesto inicial.
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El CERN se encuentra pegado a la frontera entre Suiza y Francia, y fue conveniente evitar construir por debajo del aeropuerto de Ginebra para evitar interferencias. Las condiciones geofísicas del entorno hicieron aconsejable excavar a unos 100 metros de profundidad en dirección a Francia, hasta llegar a unos 9km donde hay una zona de roca más dura y difícil de excavar. De hecho, para evitar este gran bloque de roca, el anillo tuvo que ser excavado en oblicuo, con una ligera inclinación hacia abajo. Finalmente, el anillo tuvo unos 9km de diámetro, lo que da una longitud de 27km:
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Los electrones y positrones se creaban en un acelerador de partículas más antiguo (el Super Sincrotrón de Protones, SPS), para ser luego inyectados en el LEP para continuar su aceleración. Debido a las características de la relatividad, la velocidad en la que entraban los protones y electrones desde el SPS ya era prácticamente la de la luz, por lo que la aceleración extra en el LEP, pese a multiplicar su energía, prácticamente no afectaba al valor de la velocidad. Bueno, en realidad, el complejo de túneles y aceleradores era más complicado:
Los electrones y positrones se hacían colisionar entre si en cuatro puntos de colisión, situados en el centro de grandes detectores llamados Aleph, Delphi, Opal y L3. Cada cual de estos cuatro experimentos tenían características de detección diferentes, permitiendo explorar diferentes partes de la física de partículas.
Electrones y positrones son de las partículas más pequeñas conocidas; no tienen estructura interna, de hecho son meros puntos sin dimensión. No obstante, los detectores no son precisamente pequeñitos, comparar Aleph con las personitas dibujadas a la derecha:
L3 daba hasta miedo
El LEP funcionó entre 1989 hasta noviembre del 2000. En los primeros 6 años, etapa conocida como LEP1, los electrones y positrones colisionaban con la energía exacta para producir el bosón Z, unos 91GeV. Entre noviembre del 95, se incrementó la energia a 130-140GeV, en lo que se dio a llamar LEP1.5. En la segunda gran etapa, LEP2, la energía se aumentó (161GeV en julio del 96; 172GeV en octubre... y más allá). Con el aumento de la energía, se pudieron llegar a crear pares de bosones y , que junto a la partícula Z son los tres transmisores de la interacción nuclear débil.
Impresionante, y hasta emocionante, lo que los físicos pueden llegar a hacer. La simple magnitud de todo lo contado hasta ahora debería ser suficiente para dejar a la altura del betún aquellos que tachan a la física de hacer castillos en el aire. Pero por si os faltan argumentos, voy a explicaros una pequeña historia que tubo lugar en los primeros años de funcionamiento de esta enorme máquina.
Como os podéis imaginar, la cantidad de datos que ofrecían estos pequeños detectores no era precisamente manejable para un ser humano. Los datos de analizan por ordenador utilizando métodos estadísticos y son revisados más tarde. Lo que se suele hacer es substraer la teoría, es decir, restar el valor teórico que uno desea comprobar con el valor experimental. Si la teoría está bien, el resultado debería ser cero dentro de los errores experimentales.
Pues bien, los datos mostraban un error experimental algo más grande de lo experado, había alguna fuente de ruido en el experimento. De repente, alguien se dio cuenta que un día en concreto, hacía ya tiempo, el ruido había sido mucho menor, los datos era casi perfectos. Uno casi se puede imaginar la jauría de físicos exaltados que acudieron a las hemerotecas para ver que había ocurrido ese día. Resulta, que aquel día fue el único, en muchísimos años, en que hubo huelga de trenes en la región; aparentemente, el rozamiento de las ruedas metálicas con los raíles provocaba ciertos chispazos electromagnéticos, que llegaban a afectar la trayectoria de las partículas en el detector cien metros bajo tierra. Viviendo en Suiza, los científicos decidieron fiarse de los horarios de los trenes y simplemente descartaron de la estadística aquellos eventos que habían tenido lugar con un tren cerca, otra de las razones por la que España nunca tendrá un acelerador de partículas de gran calado. El nivel de ruido en los datos mejoró ostensiblemente.
Un análisis más detallado de los datos corregidos, desveló que había otra fuente de ruido. Esta vez, el ruido tenía una estructura temporal definida, con un periodo más o menos medio día. La explicación esta vez es poco menos que sorprendente. Es debido al campo magnético terrestre; el gran anillo del LEP contenía cargas moviéndose, esto es lo que llamamos una "espira de corriente" en electromagnetismo. Como todos sabemos, si el campo magnético que pasa a través de una espira de corriente cambia, se crea una corriente inducida a través de ella. Esta era la fuente del ruido en los datos. Pero el campo magnético de la tierra es lo suficientemente constante en el tiempo como para no provocar ese ruido; la única explicación posible es que el anillo del acelerador se moviera con respecto al centro de la tierra dos veces al día. ¿Os suena a algo? Pues eso es: igual que las mareas del mar. En este caso, era todo el continente europeo el que era succionado por la gravedad de la luna dos veces al día. Las mareas continentales ya habían sido predichas teóricamente, pero nunca se habían observado.
De nuevo, se corrigió el error provocado por las mareas. Aún quedaba un efecto con estructura temporal que corregir. En este caso, el efecto tenía un periodo de un año, y estaba causado por la climatología de la zona. En concreto, con el lago Lehman, en cuyas orillas está Ginebra (como se nota por la pésima calidad de la imagen, esta foto está hecha por mi
):En concreto, dependiendo de la época del año el peso del lago Lehman cambia; es mayor con el deshielo, etc. Esto hace que el anillo sufra cierta deformación. Los experimentos del LEP eran lo suficiente sensibles como para notar este efecto.
En la actualidad, desde que se paró el LEP en el 2000, se ha desmantelado para iniciar la construcción de un nuevo acelerador mucho más potente de hadrones, el LHC, la gran esperanza de la físicia teórica de la próxima década. Contará con nuevos detectores, aún más grandes y potentes, como el CMS:
Cuando tomé esa foto, el gran CMS estaba en proceso de construcción en la superficie. Actualmente, ya se ha completado su montaje y ha sido bajado a la caverna.
En definitiva, el LEP fue un instrumento impresionante que ayudó a la física de partículas a llegar al siglo 20. Dejó a la vista las intimidades de la interacción nuclear débil. Además, si los científicos que lo construyeron en las entrañas de la tierra hubieran desconectado del mundo exterior, les habría permitido conocer la existencia de los trenes en Ginebra; del lago Lehman y las estaciones.
Pero, sobre todo, esta ha sido la historia de como se necesitó construir un acelerador de partículas de 27km para estar seguros de que existía la luna, veinte años después de haber estado allí por primera vez.
Fuentes:
http://en.wikipedia.org/wiki/LEP
http://opal.web.cern.ch/Opal/
http://l3.web.cern.ch/l3/
http://hep.fuw.edu.pl/ZCiOF/II_Praco...4/HTML/lep.htm
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Excelente el artículo. Muy instructivo.
Saludos.