martes, 22 de febrero de 2011

Cuando los muones chocan

Un nuevo tipo de acelerador de partículas, conocido como colisionador de muones, se consideraba una idea descabellada hace una década, pero ahora está ganando la confianza de gente tan escéptica como son los científicos, que han empezado a encontrar soluciones a muchos retos tecnológicos de la máquina.

Ilustración: Estudio Sandbox

Cuando el físico del Fermilab Steve Geer acordó realizar un cálculo como parte de una fuerza de tareas del colisionador de muones hace 10 años, imaginó que demostraría que los desafíos técnicos del colisionador eran demasiado difíciles de resolver y se pasaría a otros asuntos. Pero a medida que profundizó aún más en el problema, se dio cuenta de que los obstáculos que había previsto en principio, podrían ser superados.

"Empecé como un escéptico", dice. "Pero cuanto más lo estudié, me di cuenta de que podría ser un problema con solución."

Un colisionador de muones -una máquina que en la actualidad sólo existe en la simulación por computadora- es relativamente un recién llegado al mundo de los aceleradores de partículas. Por el momento, la recepción de la comunidad de la física de partículas a este primer acelerador de su tipo es "amable", dice el físico del Fermilab Bross Alan.

La cortesía es suficiente por ahora: la investigación y el desarrollo de la máquina se están preparando, gracias a la financiación del Departamento de Energía de EE.UU (DOE). En agosto, un panel de revisión del DOE apoyó la puesta en marcha del Programa de Acelerador de Muones, o MAP, una iniciativa internacional liderada por el Fermilab. Los científicos esperan que el programa recibirá cerca de 15 millones de dólares por año por más de siete años para estudiar la viabilidad del colisionador y la rentabilidad.

Muones mutables

Como con cualquier nuevo proyecto de física de alta energía, el colisionador de muones tiene su parte de escépticos que dudan sobre su línea de tiempo proyectada de I + D o sus latas de gusanos de ingeniería. Pero Bross, un miembro del consejo de administración de MAP, aseguró a la comunidad de los físicos que "no somos locos delirantes."

Los muones -primos pesados del electrón- tienen una vida trágicamente corta: se desintegran después de dos millonésimas de segundo. Sin embargo, estos "papadeas-y-los-pierdes" muones pueden ayudar a los científicos de partículas a encontrar respuestas a algunas de las preguntas más persistentes del universo.

Los científicos del acelerador están acostumbrados a organizar las colisiones entre electrones o entre protones. Dado que estas partículas no se desintegran, pueden viajar alrededor de un acelerador circular durante días o semanas. Los muones, en cambio, no dejan mucho tiempo para la aceleración y la manipulación. Aún así, es un obstáculo que los científicos creen que pueden superar.

"Es factible", dice Vladimir Shiltsev, director del Centro de Física del Acelerador del Fermilab.

Un colisionador de muones acelerará dos haces de muones en direcciones opuestas alrededor de un anillo subterráneo de seis kilómetros de circunferencia. Los rayos chocarán de frente a velocidades cercanas a la de la luz. Los científicos explotarán lo que resulta de la colisión para buscar materia oscura, partículas súper simétricas, signos de dimensiones espaciales extras y otros fenómenos subatómicos.

Llegar al punto en el que una colisión muón-muón es, en principio, alcanzable significa ser capaz de producir y manipular un haz de muones, y eso no es cosa sencilla.

Evitando un desastre subatómico

El Gran Colisionador de Hadrones en Europa, que inició operaciones en 2009, es un colisionador protón-protón con una circunferencia de 27 kilómetros. Los científicos consideran el LHC como una máquina de descubrimientos de física de partículas universal. Se analiza un amplio rango de energías para buscar el esquivo bosón de Higgs y otras partículas, la forma en que un observador de aves camina por un bosque y busca un ave en particular. Pero una vez que el ave está situada en la copa de un árbol y quieres verla de cerca, a simple vista no es suficiente. Él quiere un par de binoculares para estudiar mejor el plumaje de las aves y su comportamiento.

Un colisionador de muones sería como una serie de binoculares para la física de partículas. Se enfocaría en una región estrecha de la energía para descubrir los fenómenos físicos que el LHC no puede revelar por sí solo. Se proporcionaría una visión clara y sin obstáculos del mundo subatómico.

"La belleza de un colisionador de muones es que los eventos de colisión son limpios", dice Shiltsev.

Los eventos limpios surgen porque los muones son indivisibles. A diferencia de los protones, que contienen los quarks y los gluones, los muones carecen de componentes. Dos protones en colisión son como dos bolsas de basura a alta velocidad que se encuentran en el aire: las piezas de basura dentro de las bolsas, no las dos bolsas en sí mismas, son las que colisionan. La dificultad radica entonces en la clasificación a través del desorden que cada colisión crea y en el seguimiento sobre qué cápsula ha disparado la trayectoria de cuales envoltorios de caramelo.

Con los muones, no hay basura. Ser un muón es sencillo. Cuando dos muones chocan tienen cargas opuestas -una positiva y otra negativa-, se aniquilan, y toda su energía produce nueva materia. Por el contrario, cuando el LHC acelera los protones, son realmente los quarks y gluones dentro de los protones los que chocan, y cada componente lleva sólo una fracción de la energía total de los protones.

"Las colisiones que usted ve en el LHC, en general, tienen algo así como una décima parte de la energía de la colisión completa protón-protón", dice Bob Palmer del Laboratorio Nacional de Brookhaven, que ha conducido anteriores encarnaciones de la colaboración colisionador de muones.



Muones vs electrones

El colisionador de muones se enfrenta a una cierta competencia. El familiar electrón, otro candidato a la colisión, también es indivisible y también produce colisiones limpias. Pero el ligero electrón es más difícil de acelerar a lo largo de una trayectoria curva que las partículas más pesadas, como los muones y los protones. Un electrón, cuya masa es 1/200 avo de la de un muón, irradia fácilmente su energía que lejos cuando sigue la curva de un acelerador circular a alta velocidad.

Un muon conservaría mejor su energía, aún girando alrededor de un círculo de 6 kilómetros miles de veces cerca de la velocidad de luz. Los múltiples viajes alrededor de la pista permitirían a los muones llegar a altas energías de colisión, más altas que las colisiones quark-quark y quark-gluones producidas en el LHC.

Los científicos pueden superar el problema de la radiación de los electrones mediante el diseño de los colisionadores de electrones que son rectos y de decenas de kilómetros de largo. En este momento, la comunidad de físicos contempla dos posibles opciones. Una es el Colisionador Lineal Internacional (ILC), un colisionador electrón-positrón propuesto de 30 kilómetros de longitud. En 2012, los científicos e ingenieros entregarán los planos detallados y planes para el Colisionador Lineal Internacional. Aunque la opción del ILC es la más lejana a lo largo de la I + D, su costo, estimado en 15 a 20 mil millones de dólares, da a los científicos y los posibles financiadores una pausa.

La otra opción es el Colisionador Lineal Compacto (CLIC) del CERN , que sería de alrededor de 15 a 20 kilómetros más largo que el ILC. Los científicos esperan que CLIC pueda llegar a energías muy superiores a las del ILC, utilizando una tecnología de aceleración diferente. Pasará un año más o menos antes que los científicos se hayan dado cuenta de si el concepto CLIC es factible. Pero la longitud de la máquina propuesta -unos 50 kilómetros- podría hacer a CLIC muy caro.

Cuál de estos tres diseños de colisionador será designado como contraparte de precisión del LHC depende en gran parte de los descubrimientos que el LHC haGA en los próximos años. Ellos determinarán qué tan alto una energía de colisión de un colisionador de electrones o muones debe llegar.

Las partículas viven en diferentes escalas de energía, medida en TeV, o Tera-electronvoltios. Gracias al colisionador Tevatron del Fermilab y de las generaciones de aceleradores de partículas anterioes los científicos saben qué partículas viven a qué energías, hasta un cierto nivel de energía. Más allá de ese punto, el ámbito de la energía es un territorio inexplorado, y los científicos piensan que hay una bonanza de las partículas en espera de ser descubierta.

Los resultados del LHC, una máquina que podría revelar las partículas más pesadas a unos pocos TeV, les dirán a los científicos a dónde ir a cavar. En este momento, se preguntan si los descubrimientos más interesantes del LHC serán en menos de medio TeV.

"Si la respuesta es 'sí', entonces el Colisionador Lineal Internacional es el camino a seguir", dice Shiltsev. "Si la respuesta es 'no', entonces habrá posibilidad de elegir entre CLIC y el colisionador de muones."

CLIC podría alcanzar energías de hasta 3 TeV. Los científicos que desarrollan el colisionador de muones tienen como objetivo energías de hasta 4 TeV, alrededor de la energía de las colisiones más poderosas quark-quark en el LHC.

Energías más altas suelen llevar a mayores costos. Sin embargo, el tamaño compacto de un colisionador de muones circular tiene el potencial de ser más barato que el ILC o el CLIC.

"El colisionador de muones es muy pequeño para la misma energía que el LHC", dice Palmer. "Cabría fácilmente en el sitio del Fermilab. Incluso cabría en el sitio de Brookhaven. "

Haciendo un haz de muones Los científicos crean un gran número de muones direccionando un intenso haz de protones en un blanco hecho de un líquido denso como el mercurio. Un conjunto de imanes se encarga de hacer que los muones resultantes se muevan en la dirección correcta. El desafío consiste en acorralar a los muones en densos haces. Los físicos están desarrollando una técnica conocida como enfriamiento por ionización. Se doman los muones mediante el envío a través de una serie de imanes y amortiguadores llenos de gas. El gas hace más lentos los muones y absorbe su energía, mientras los campos magnéticos confinan los muones y estrechan el haz. Entonces, los dispositivos de aceleración impulsan los muones hacia adelante. Este proceso se repite varias veces hasta que el haz de muones es casi similar a un láser.

El desafío

Para que el colisionador de muones sea un contendiente real como el acelerador de partículas que viene, los científicos tendrán que demostrar que la máquina puede alcanzar una buena cantidad de algo que se llama luminosidad .

La luminosidad es una medida de cuántos eventos de colisión la máquina puede producir por segundo. Para aumentar las posibilidades de ver acontecimientos interesantes, los colisionadores deben la mayor luminosidad posible. Para ello, se necesita una gran cantidad de partículas que viajen a través del acelerador, y se necesita que estén contenidas en paquetes compactos, densos, llamados racimos.

Los racimos sueltos de partículas no pueden colisionar con eficacia. Sería similar a tirar dos puñados de arroz el uno al otro desde lejos, y esperando que unos granos golpean entre sí.

Reunir muones efímeros para formar racimos apretados y acelerarlos alrededor de un anillo es más difícil que pastorear gatos. Para crear los racimos, las partículas tienen que ser acorraladas, o enfriadas, como se denomina al proceso en física. Para el colisionador de muones, una refrigeración exitosa es el desafío de ingeniería más grande que enfrentan los científicos, y tendrán que basarse en un gran ingenio para hacerlo.

En la naturaleza, los muones llegan a nosotros a través de los rayos cósmicos. Para un acelerador de muones, los científicos crean los muones por colisión de protones en un líquido denso como el mercurio. Los muones que nacen de estas colisiones hechas por el hombre son un grupo rebelde, que vuela en todas direcciones con cada energía.

"Ha sido descrito como un haz de tamaño de calabaza", dice Geer. "No se puede poner de inmediato en un acelerador".

Dos experimentos -MuCool en el Fermilab y el Experimento de Enfriamiento de Ionización de Muones en el Laboratorio Rutherford-Appleton, en Oxfordshire, Inglaterra-, se dedican a promover las técnicas para el enfriamiento de muones.

El objetivo es reducir un haz de tamaño de calabaza a una millonésima parte de su volumen en dos millonésimas de segundo, mucho antes de la desintegración de los muones en electrones y neutrinos.

"Hacemos refrigeración de un haz todo el tiempo con haces de otras partículas", dice Geer. "Pero las técnicas actuales tardan mucho más que un par de microsegundos. Necesitamos una nueva técnica que tome un período muy corto de tiempo. "

Una de las técnicas en consideración parece especialmente prometedora: el enfriamiento por ionización. Se doman muones mediante el envío a través de una serie de imanes y recipientes llenos de hidrógeno líquido, por ejemplo. A medida que los muones chocan varias veces con el hidrógeno, este absorbe la energía de los frenéticos muones, mientras que los campos magnéticos confinan las partículas y reducen el haz. Los dispositivos de aceleración a continuación, impulsan el haz de muones comprimido hacia adelante. Este proceso se repite hasta que el haz de muones es casi similar al láser, listo para ser inyectado en el acelerador principal.

Aunque el enfriamiento es sólo uno de los grandes obstáculos que enfrentan los científicos, la comunidad del colisionador de muones es más bien optimista de que puede superar todos los retos de ingeniería.

"Estamos justo en la cúspide de saber cómo resolver los problemas que hemos estado hablando durante tanto tiempo", dice Palmer. "Y ahora, estamos llegando al punto donde vemos cómo la cosa es realmente posible."

Proyecto de colisionadores de partículas Los físicos de partículas están considerando tres tipos de colisionadores de partículas para alcanzar mayores energías de colisión. Sus tamaños relativos se muestran a la derecha, con el Gran Colisionador de Hadrones para la comparación. Un colisionador de muones de 4 TeV sería de sólo un par de kilómetros de diámetro y cabría en el sitio del Fermilab, pero todavía se enfrenta a muchos desafíos de ingeniería. El diseño muy avanzado del Colisionador Lineal Internacional, que haría que los electrones y los positrones choquen a 0,5 TeV, requiere una máquina de 30 kilómetros de longitud. También se está estudiando un colisionador positrón electrón de 3 TeV conocido como el Colisionador Lineal Compacto, o CLIC. Si es técnicamente factible, sería de unos 50 kilómetros de largo. En comparación, el Gran Colisionador de Hadrones en funcionamiento en el laboratorio europeo del CERN tiene una circunferencia de 27 kilómetros de más de ocho kilómetros de diámetro.
Imágenes: Estudio Sandbox.


Primera etapa: Proyecto X

Teniendo en cuenta las décadas que se necesitan para planificar y construir un gran acelerador de partículas, los físicos de alta energía tienen la esperanza de mantener el ritmo con el LHC y elegir entre un colisionador de electrones y muones en los próximos años.

"Una de las enormes fuerzas potenciales del colisionador de muones es que se puede imaginar un programa escalonable", dice Geer. "Usted puede iniciar el Proyecto X aquí en el Fermilab, construir una planta de muones, construir una fábrica de neutrinos, y terminar con un colisionador de muones. Hay un amplio abanico de posibilidades. "

El Proyecto X es un acelerador de protones de alta intensidad propuesto en el Fermilab. Su objetivo principal es proporcionar un intenso haz de protones para una serie de kaones, muones, neutrinos, y experimentos de física nuclear. En última instancia, el acelerador de Proyecto X podría servir como la parte delantera de un colisionador de muones y entregar una gran cantidad de protones, la materia prima para la producción de muones.

La siguiente etapa sería un centro de muones que enfríe y acelere los muones producidos por el Proyecto X. Esto permitiría la construcción de una fábrica de neutrinos, un componente oficial del Programa del Acelerador de muones. En una fábrica de neutrinos, un intenso haz de muones daría la vuelta en un anillo de almacenamiento hasta que las partículas se desintegren en electrones y neutrinos, partículas fantasmales estas últimas que podrían explicar la evolución del universo primitivo y la preponderancia de la materia sobre la antimateria.

"En el camino a la construcción de un colisionador de muones, tendremos una gran oportunidad para construir una fábrica de neutrinos", dijo Bross.

Como su nombre lo indica, una fábrica de neutrinos proporcionaría a los físicos con una fuente abundante de los difíciles de atrapar neutrinos.

"Cada muón crea dos neutrinos para la ciencia", dice el físico británico Ken Long, presidente del Estudio Internacional de Diseño para la Fábrica de Neutrinos. "El colisionador de muones y la fábrica de neutrinos son un matrimonio en el cielo."

La última etapa sería la construcción del anillo colisionador de muones, que enviaría a dos haces de muones en direcciones opuestas haciéndolos chocar. Sería construido mientras las etapas más tempranas del complejo de acelerador ya proveerían a la comunidad de la física de los programas científicos que podrían ser seguidos con o sin el colisionador mismo.

Este enfoque por etapas para el colisionador de muones -una máquina que parecía una posibilidad poco probable hace sólo 10 años-, es ahora una idea de que los físicos y los organismos financieros consideren la pena investigar.

Por el momento, el colisionador de muones aún puede seguir al colisionadores de electrones en los esfuerzos de investigación y desarrollo. Pero si los científicos tienen éxito, será "un infierno de máquina", lo cual explica porque la idea no ha muerto en los más de cuarenta años que ha estado presente", dice Shiltsev.

"En algún momento, a años de distancia, esperamos estar a la altura donde se pueda, con toda tranquilidad, decir que creemos que podemos construir este colisionador de muones", dice. "Va a ser una máquina excelente para la física de partículas de alta energía".

La expansión del complejo acelerador de Fermilab: diseño conceptual

1 - Proyecto X: Acelera protones a 8 GeV a través de cavidades superconductores de radiofrecuencia (SRF). Los protones se utilizarán para los experimentos de baja energía y para enviarlos al Inyector Principal existente para crear haces de neutrinos de alta intensidad.
2 - Anillo compresor: Reduce el tamaño del haz antes de que impacte en el objetivo.
3 - Ojetivos para producción de muones: Estrella protones en el material objetivo, generando muones con energías de unos 200 MeV.
4 - Captura de muones y refrigeración: Captura, agrupa y enfría muones para crear un haz estrecho.
5 - Aceleración inicial de muones: En una docena de vueltas, acelera los muones a 20 GeV. Estos muones pueden proveer de energía a una fábrica de neutrinos.
6 - Recirculación de acelerador lineal: En un cierto número de vueltas, los muones se aceleran hasta 2 TeV usando cavidades SRF.
7 - Colisionador de Muones: Produce muones cargados positiva y negativamente en colisión en dos lugares a 100 metros bajo tierra.


Fuente:
When Muons Collide Symmetry Magazine.

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