Muchas de las reuniones e importantes decisiones del CERN se toman delante de un café en alguna de las cafeterías del laboratorio. De memoria cuento al menos cinco de ellas repartidas en los distintos edificios. Pero solo si vais a la cafetería central podéis encontrar mesas como la de la foto.
Aunque el diseño de la mesa no mucho sentido fuera del CERN muestra un elemento importante para la física de partículas. Mi café se encuentra sobre un event display del experimento Delphi. En esta cafetería se pueden ver event displays de todos los detectores que se encontraban en el acelerador LEP (Aleph, L3, Delphi y Opal). Para aquellos que no lo conozcan, LEP era el acelerador que estaba en el túnel donde ahora se encuentra LHC y que fue desmantelado en el año 2000. En LEP se hacían chocar electrones con positrones dando como resultado colisiones mucho más limpias que para protón-prontón, pero la energía era mucho menor.
Pero, ¿qué es un event display además de muchos círculos y líneas? Es la representación de una colisión en el detector (corte transversal). Mirando estos displays es posible adivinar o intentarlo cual es el proceso que tuvo lugar en la colisión. En la actualidad debido a la gran cantidad de colisiones que hay que analizar estos han perdido un poco su utilidad siendo utilizados como una herramienta mas de monitorizacion del detector pero no como herramienta de análisis. En esta entrada intentaré explicar como se pueden entender estos displays.
Pero antes de explicar como funciona un detector quisiera hacer un poco de historia de los detectores de partículas, volveremos al tiempo en que los displays eran además las herramientas para el análisis.
La foto de la izquierda muestra uno de los precursores de los modernos detectores de partículas, se trata de la Big European Bubble Chamber. Aunque ahora sirve como curiosidad para el museo del CERN, estuvo en funcionamiento hasta 1984. Las cámaras de burbujas se utilizaron desde los 50 hasta finales de los años 70. Durante este tiempo y posteriormente fueron evolucionando hacia lo que hoy se conoce como Multiwire Proportional Chambers o hacia las Drift Chambers.
En 1973, con la cámara de burbujas Gargamelle (situada muy cerca de la de la foto) se descubrieron las corrientes neutras. Se observó un proceso que requería la existencia de una partícula neutra portadora de la fuerza débil, lo que se llamaría el bosón Z. Este descubrimiento abrió la puerta para la unificación de las fuerzas electromagnética y débil.
¿Como funcionaban las cámaras de burbujas? Su funcionamiento se basaba en obtener un líquido bajo presión muy cercano a su punto de ebullición. Si llegado este punto la presión decrece el líquido entrará en ebullición, pero si la presión decrece muy rápidamente el líquido permanece líquido aunque este por encima de su punto de ebullición (estado líquido sobre-calentado). Cuando las partículas atraviesan el líquido durante este estado crean burbujas a su paso por el líquido. Si en este momento se fotografía, se obtienen las trazas de las partículas que pasaron por la cámara.
La fotografía de la derecha muestra una de estas fotos obtenidas en una cámara de burbujas. Notareis que algunas de las lineas son curvas, esto es debido a que la entera cámara estaba sometida a un campo magnético. Las partículas cargadas sienten el campo y curvan su trayectoria, el radio de curvatura nos da además información de la carga y el momento de la partícula. Si conocemos la velocidad podemos conocer además la masa. Una de las formas de identificar de que tipo de partículas eran las trazas era la prueba y error. Se hacia una hipotesis para las trazas (electrón, pion,…) y se comprobaba si el resultado era bueno, el balance de energía y momento era correcto. Esto parece fácil ahora, nuestro teléfono lo puede hacer en menos de un segundo, pero hace 40 años estas combinaciones había que probarlas una a una y hacer los cálculos ‘a mano’, midiendo curvaturas e intentando acertar las combinaciones. Los event displays en estos tiempos simplemente fotografías, eran realmente la forma de realizar el análisis.
Saltemos ahora al presente de los detectores de partículas, observad las fotos abajo.
Vemos a la izquierda el detector ATLAS (antes de su completo ensamblaje) y a la derecha CMS (antes de cerrar el detector). La simplicidad de la cámara de burbujas ha desaparecido. Las cámaras de burbujas no funcionarían en las condiciones de intensidad, frecuencia y energía del acelerador LHC. Ahora los detectores de partículas son grandes aparatos formados por cables, electrónica y material sensible (que se utiliza para la detección). Pero los detectores modernos todos tienen la misma estructura por capas (estructura de ‘cebolla’). Pero esto lo explicaremos en la segunda parte de esta entrada.
Event Displays. De las burbujas a los bits (I),