jueves, junio 28, 2007

ACERCA DEL CERN

El legado histórico.

En 1951, un cuerpo provisional se creó con el nombre de "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (CERN). Esto era un consejo: un grupo de personas. En 1953 el Consejo decidió construir un laboratorio central cerca de Ginebra. En esa época, las investigaciones de física pura se concentraron en tratar de entender el interior del átomo, de ahí la palabra “nuclear”.

Tal y como se ratificó por los parlamentos de los estados miembro, la convención especifica que el laboratorio es nombrado oficialmente como la “Organisation européenne pour la recherche nucléaire" ó "European Organization for Nuclear Research".

Sin embargo, el nombre del Consejo lo capturó la organización y es por ello que nos referimos a el en la literatura simplemente como “CERN”. Esta es también la razón por la cual el error común de confundir la “C” de CERN como la primera letra de “Centro”, pero la “C” significa “Consejo”.

Muy pronto, el trabajo del laboratorio fue más allá del estudio del núcleo de los átomos o dentro de densidades de energía más y más elevado. Por lo mismo, desde un principio, hemos sido un instituto de Física de Alta Energía (High-Energy Physics), o un instituto "HEP". Debido a que esta actividad está principalmente abocada al estudio de las interacciones entre partículas, también se nos conoce como el “Laboratorio Europeo para la Física de las Partículas” y es este último título el que realmente describe el trabajo actual del laboratorio.

En suma.

Como alguien del exterior, pueden referirse hacia nosotros como “CERN, el Laboratorio Europeo para la Física de las Partículas”, pero para efectos legales siempre nos comunicaremos hacia ustedes como “organización Europea para la Investigación Nuclear”.

El personal de CERN debe utilizar el nombre oficial en todos los materiales publicados del CERN. Nota CERN sólo hace investigaciones científicas puras dentro de las leyes de la naturaleza. No estamos involucrados con armas.

La convención del CERN declara: La Organización proveerá para colaboración entre los Estados Europeos en investigación nuclear relacionada. La Organización no tendrá ninguna relación con trabajo para requerimientos militares y los resultados de sus experimentos y trabajo teórico será publicado o en otra forma puesto a disposición general.

¿Qué es LHC?


El Gran Colisionador Hadrón (LHC por sus siglas en inglés Large Hadron Collider) es el instrumento científico más grande del mundo. Es el proyecto del nuevo acelerador de partículas que está construyendo el CERN en su sede de Ginebra, Suiza. Cuando comience a funcionar en el año 2007, acelerará los rayos de protones a energías sin precedentes en un túnel circular de 27 kilómetros de largo.

Los dos rayos de partículas viajarán en direcciones opuestas alrededor de este circuito y en cuatro lugares distintos del anillo, sus pasos intersectarán y las partículas chocarán con las que vengan viajando en dirección contraria. En los puntos de intersección, los científicos están construyendo cuatro enormes detectores del tamaño de catedrales, para obtener los resultados de las colisiones.

La mayoría de los retos científicos de cómputo a los que se enfrentan los experimentos del LHC requerirán de enormes espacios de almacenamiento – el LHC generará 15 Petabytes (15 millones de Gigabytes) de datos por año Estos requisitos representan que la mayoría de los programas de análisis no podrán realizarse en PCs individuales. Es por ello que la CERN está llevando a cabo un programa de cómputo en red denominado “Grid computing”, el cual aspira a enlazar cientos de los mayores centros de cómputo en todo el mundo. Sin embargo, existen excepciones en donde la ayuda del público en general representa una ayuda para el LHC.


El departamento IT del CERN está interesado en evaluar el tipo de tecnología que se utiliza en SETI@home para su uso futuro. Se ha desarrollado un programa denominado SixTrack que realiza la simulación de partículas circulando por el LHC para estudiar la estabilidad de sus órbitas, el cual podrá utilizarse en un ordenador y que requiere muy poca capacidad de equipo para analizarlo. El programa SixTrack simula 60 partículas a la vez en su recorrido alrededor del anillo y realiza la simulación durante 100000 giros alrededor del circuito. Esto puede ser que nos parezca mucho pero es menos de 10 segundos en el mundo real.

Pero es suficiente para probar si el rayo permanecerá estable en órbita por más tiempo o si se arriesga a perder el control y salirse de curso en las paredes del tubo al vacío – un problema muy serio que significaría detener la máquina para realizar reparaciones si llegase a suceder en el experimento real. Repitiendo estos cálculos varios miles de veces, es posible realizar un mapa de las condiciones bajo las cuales el rayo permanecería estable. Un grupo de estudiantes bajo la dirección de Ben Segal se ha puesto a trabajar con David Anderson, el Director de SETI@home y BOINC, y han desarrollado una interfase para el SixTrack. Con motivo del 50 aniversario del CERN el día 29 de Septiembre del 2004, pondrán a prueba el programa en sus fases alfa y beta para el público en general. Por el momento el programa solo funciona en el entorno de Windows, pero ya están planeando extenderlo a otras plataformas. La versión alfa del salva pantallas presenta una sección cortada de las partículas del rayo que el programa simula.

Cada vez que se instala un nuevo magneto en el LHC, se realizan mediciones de sus propiedades. Si se desvían significativamente de sus valores previamente especificados, se lanza de inmediato al SixTrack para estudiar que impacto, si es que tiene alguno, podría tener dentro de las operaciones de la máquina en general. El hecho de poder tener los resultados lo más rápidamente posible es una gran ayuda para los ingenieros. Es por ello que la ayuda del público será muy valiosa.

¿Son útiles los aceleradores de partículas?


¿Os imaginais obtener productos de interés médico a partir de los residuos atómicos de larga duración que generan los reactores nucleares actuales? ¿Os imaginais que mientras ocurre este proceso se genere energía limpia? Bien, todo esto sería posible si el sueño del Amplificador de Energía de Carlo Rubbia se pudiese llevar a cabo.

¿Son útiles los aceleradores de partículas?
Qué puede depararnos el futuro

Los aceleradores de partículas son herramientas indispensables en la industria, medicina e investigación. En el futuro, podrían ser incluso más importantes, ya que los avances tecnológicos podrían abrir un nuevo abanico de posibilidades. En medicina, la utilización de haces de partículas está en constante crecimiento, tanto en terapias contra el cáncer como en la fabricación de radio-fármacos.

Más aún, los aceleradores podrían facilitarnos escalpelos láser de haces para cirugía de precisión. El láser ya es utilizado en cirugía para operaciones de eliminación de tejidos dañados que exigen alta precisión. La consecución de aceleradores que empleen láser de electrones libres (FELs), capaces de alcanzar precisiones de una fracción de milímetro, podrán aportar soluciones que prácticamente no dañarán los tejidos vecinos.

En materia de protección medioambiental, los aceleradores jugarán también un papel importante. Gracias a ellos podremos dividir los residuos nucleares de larga duración y transformarlos en material inocuo. La técnica, desarrollada en el laboratorio norteamericano de Los Álamos, fue bautizada como Acelerador de Transmutación de Residuos (en inglés ATW).

Cuando los haces de alta intensidad bombardean un objetivo, producen neutrones, los cuales se combinan luego con los residuos radiactivos haciendo que estos se dividan en elementos estables. Los aceleradores para el tratamiento de residuos nucleares requerirán grandes instalaciones, pero aceleradores más pequeños pueden ayudar también en el control medioambiental.

Mezclando los residuos tóxicos gaseosos que generan las factorías y las estaciones generadoras de energía con amonio, e irradiando la mezcla con haces de electrones, los gases venenosos (como los óxidos de nitrógeno y el dióxido de azufre) pueden transformarse en productos útiles, por ejemplo fertilizantes. Técnicas parecidas pueden emplearse para esterilizar las aguas residuales, de modo que también podamos utilizarlas como fertilizante.

Quizás el desarrollo reciente más significativo en cuanto a las aplicaciones de los aceleradores sea el de la generación de energía, donde en la actualidad se persigue activamente este fin desde tres enfoques distintos. Uno utiliza los haces de partículas para comprimir núcleos atómicos tan apretadamente que llegan a fusionarse a la vez, emitiendo energía. Otro método emplea un acelerador para producir muones, los cuales son inyectados en un tanque que contiene el combustible a fusionar.

Algunos de estos muones ocupan el lugar de los electrones en las órbitas atómicas, y como son 200 veces más pesados que estos, obligan a los núcleos a fusionarse. Hasta el momento, ambas técnicas consumen más energía de la que producen, pero cada vez se está más cerca de alcanzar el equilibrio. La idea más reciente, llamada Amplificador de Energía, fue inventada por el premio Nóbel Carlo Rubbia, que trabaja en el CERN. El Amplificador de Energía bombardeará su objetivo (consistente en combustible nuclear) con un haz de protones de alta intensidad, provocando fisión nuclear y la liberación de energía. Este método brinda dos grandes ventajas.

La primera, al contrario que en las centrales nucleares convencionales, es imposible que se de una reacción en cadena, ya que sin el acelerador la reacción se detiene. Segunda, ya que la técnica es similar a la ATW, los residuos generados por las centrales nucleares de hoy en día, podrían mezclarse con el combustible nuclear, para ir dividiéndolos en sustancias inocuas.

Amplificador de Energía

Una de las utilidades potenciales más prometedoras del empleo de aceleradores de partículas es la de producir energía limpia, segura y casi inagotable. El plan es combinar un acelerador de partículas con un reactor nuclear, y fue ideado por Carlo Rubbia, anterior director general del CERN. La idea básica es sencilla, y difiere de las centrales nucleares estándar en dos puntos.

El primero, el combustible del reactor sería torio en lugar de uranio. El torio es fácil de extraer y es tres veces más abundante que el uranio (prácticamente la mitad de abundante que el plomo). Segundo, se emplearía un acelerador de partículas para producir los neutrones que provocasen la fisión nuclear.

Esto aporta múltiples ventajas. La principal es que la reacción no es auto-sostenida, de modo que es imposible una pérdida de control, tal y como ocurrió en Chernobyl. Al contrario que los reactores convencionales de fisión, la máquina de Rubbia necesita energía para seguir trabajando. Pero la cantidad de energía producida sería varios órdenes superior a la suministrada (de ahí el nombre “Amplificador de Energía”).

La diferencia crucial entre el Amplificador de Energía y un reactor nuclear radica en la media de electrones producidos tras la ruptura de un núcleo. Los reactores nucleares convencionales usan un isótopo raro, el uranio-235, mezclado con un isótopo más común, el uranio-238. El primero de ellos se da en la naturaleza en un porcentaje del 1% sobre el total de uranio hallado, y es costoso de extraer. Cuando un átomo de uranio-235 absorbe un neutrón, se fisiona en elementos más ligeros, liberando energía y dos o tres neutrones. El uranio-238 se ve así mismo transformado en plutonio, lo cual ocasiona un serio problema de seguridad ya que este elemento es un residuo muy peligroso. Los neutrones liberados siguen provocando más fisiones, liberando más energía y más electrones; una reacción en cadena. Debido a que el número total de neutrones crece con cada fisión, es necesario “fregar” el reactor usando unas barras de control de grafito para moderar o detener la reacción. En el Amplificador de Energía, los átomos de torio absorben neutrones y se dividen liberando energía. También se producen neutrones, pero no los suficientes como para mantener activa la reacción. Si el suministro externo de neutrones se agota, la reacción simplemente se para. En 1993, Rubbia inició su colaboración en un proyecto encaminado a desarrollar su idea y comprobar su viabilidad. Al año siguiente, financiada con fondos de la Unión Europea, la investigación demostró que uno de sus cálculos fundamentales era correcto: la energía producida por fisión es aproximadamente 30 veces superior a la suministrada por el acelerador. En 1995, la investigación sobre el Amplificador de Energía se extendió al concepto de la incineración de residuos nucleares de larga duración. La idea es mezclar residuos de plutonio con el torio que sirve de combustible, de modo que mientras se efectúa la fisión, el residuo se divida en elementos inocuos. Los fundamentos de este trabajo, ideados originalmente en el laboratorio norteamericano de Los Álamos, fueron puestos a prueba en 1996 en el CERN, de nuevo con el apoyo económico de la Unión Europea. Los resultados fueron muy estimulantes y demostraron que no solo se podían fisionar los residuos, sino que además, varios de los subproductos originados en el proceso eran isótopos que tenían aplicaciones en medicina.

Nota del traductor: El Amplificador de Energía, es conocido también como Rubbiatron en honor a su ideólogo, Carlo Rubbia. Fuente información original: CERN

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