CERN Photo Service; Maximilien Brice

El LHC o Gran Colisionador de Hadrones del CERN se ha convertido hoy en el acelerador de partículas más potente del mundo después de que esta mañana sus dos haces de protones hayan alcanzado una energía de 1,18 teraelectronvoltios (TeV). Hasta ahora el récord lo ostentaba el colisionador Tevatron del Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi (Fermilab) de los Estados Unidos que, en 2001, consiguió 0,98 TeV. Esto ha marcado otro hito en su camino hacia los primeros descubrimientos en Física previstos para 2010.

“De momento nos conformamos con que la puesta en marcha del LHC vaya sin problemas”, dice el Director General del CERN Rolf Heuer. “Es fantástico, pero seguimos trabajando paso a paso porque todavía queda mucho por hacer antes de que el año que viene comiencen a llegar los primeros descubrimientos físicos. Mantendré el champán en frío hasta entonces”.

Los nuevos avances llegan tan sólo 10 días después de que el LHC volviera a ponerse en marcha, lo que demuestra el “excelente funcionamiento” de la máquina. El 20 de noviembre se inyectaron los primeros haces en el Gran Colisionador y en los días posteriores los operadores de la máquina restablecieron la circulación de los haces en el interior del anillo. La operación se realizó de forma alterna, primero en una dirección y luego en la otra, a una energía de inyección de 450 GeV y aumentando la duración del haz de forma gradual hasta aproximadamente 10 horas. El 23 de noviembre circularon por primera vez dos haces juntos y los cuatro grandes detectores de LHC registraron los primeros datos de colisión.

El logro de la pasada noche vuelve a confirmar que el LHC progresa sin problemas hacia los primeros hallazgos físicos a comienzos de 2010. El récord mundial de energía se alcanzó ayer cuando el haz 1 se aceleró desde 450 GeV hasta los 1.050 GeV (1,05 TeV) a las 21:28 horas del domingo 29 de noviembre. Tres horas más tarde los dos haces del LHC se aceleraron con éxito a 1,18 TeV, a las 00:44 horas de hoy.

“Estaba aquí hace 20 años cuando encendimos el anterior acelerador de partículas más importante del CERN, el LEP”, señala el Director de Investigación y Tecnología Steve Myers, que añade:“Pensé que se trataba de una máquina fantástica de manejar, pero ésta es algo más. Lo que nos llevaba días o semanas con el LEP, lo estamos haciendo en horas con el LHC. De momento todo augura que será un programa de investigación fabuloso”.

La próxima acción programada es una fase “concentrada” en la que se aumentará la intensidad del haz antes de Navidad y previa a la entrega de grandes cantidades de datos de colisión a los experimentos. Hasta el momento, todo el trabajo de puesta en marcha del LHC se ha llevado a cabo con un haz piloto de intensidad baja, pero se necesita una intensidad más alta para proporcionar índices de colisión protón-protón significativos.

El objetivo de la fase actual es asegurar que estas intensidades más altas puedan manejarse de forma segura, así como garantizar condiciones estables para los experimentos que se realicen durante las colisiones. Se estima que esta etapa durará aproximadamente una semana, tras la cual, y hasta finales de año, se harán colisionar haces en el LHC para realizar calibraciones. Los primeros descubrimientos físicos en el gran colisionador están programados para el primer trimestre de 2010, a una energía de colisión de 7 TeV (3,5 TeV por haz).

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CERN

Los haces de partículas nuevamente vuelven a circular por el Gran Colisionador de Hadrones, LHC, del Centro Europeo de Investigación Nuclear, CERN. El miércoles 18 de noviembre de 2009 la gigantesca máquina quedó lista para su puesta en marcha, y hoy a las 22:00 (hora local) un haz de partículas ya ha circulado en el sentido de las agujas del reloj por el enorme anillo. Se establece así un hito en el camino hacia los primeros descubrimientos físicos del LHC, que se esperan para el 2010.

“Es estupendo ver otra vez los haces circulando por el LHC”, dice el director general de CERN, Rolf Heuer, “Aún nos queda un trecho por delante antes de poder empezar a hacer descubrimientos físicos, pero con este hito avanzamos en ese camino”.

Los primeros haces circularon por el LHC el 10 de septiembre de 2008, pero el gran colisionador sufrió un grave desperfecto nueve días después. Una falla de la conexión eléctrica dañó algunos componentes y CERN ha debido invertir más de un año en repararlo y consolidar la máquina para garantizar que un incidente similar no vuelva a repetirse.

“El LHC es una máquina que comprendemos mejor que hace un año”, dijo el director de aceleradores de CERN, Steve Myers. “Hemos aprendido de nuestra experiencia y hemos diseñado una tecnología que nos permita avanzar. Así es como se progresa”.

La nueva puesta a punto del LHC empezó el pasado verano boreal, y desde entonces se han superado etapas de forma regular. El 8 de octubre de 2009, el LHC alcanzó su temperatura de funcionamiento (1,9 Kelvin, es decir -271 Celsius). El 23 de ese mes se inyectaron partículas, pero sin llegar a circular. El 7 de noviembre se dirigió un haz a través de tres octantes de la máquina, y ahora se acaba de restablecer la circulación de los haces.

El siguiente hito en el LHC serán las colisiones de baja energía, que se esperan para dentro de una semana, aproximadamente. Estas colisiones proporcionarán a los investigadores sus primeros datos de colisión, lo que permitirá a los técnicos realizar un importante trabajo de calibración.

Este paso es significativo, pues hasta ahora todos los datos que se han registrado provienen de los rayos cósmicos. A continuación, los científicos harán que los haces alcancen gradualmente una energía alta como preparación para las colisiones a 7 TeV (3,5 TeV por haz), el año próximo.

La física de partículas es un objetivo mundial, y CERN ha recibido apoyos de todo el planeta para conseguir que el LHC funcione otra vez. “Ha sido un esfuerzo hercúleo el necesario para llegar hasta el punto en que nos encontramos hoy”, dijo Myers, .

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Juan García Bellido (UCCUAM)

Investigadores del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, España, están dedicando sus esfuerzos al desarrollo de un modelo que permita la comprensión del fenómeno que dio lugar al Big Bang.

La teoría del Big Bang parece describir correctamente la evolución del Universo desde una pequeña fracción de segundo hasta la actualidad. Sin embargo, no es capaz en sí misma de explicar el propio Big Bang, el origen de toda la radiación y la materia que permean el Universo. Las modernas teorías cosmológicas proponen que el Universo primitivo se expandió aceleradamente gracias a un proceso conocido como inflación cósmica, un período en el que una enorme densidad de energía actuó como motor de la expansión.

Al finalizar el proceso inflacionario, el Universo quedó vacío de partículas, y la única energía remanente era la del campo responsable de la propia Inflación. Pues bien, se denomina Recalentamiento al proceso que ocurre justo al finalizar la etapa inflacionaria, en el que la energía responsable de la Inflación se convierte en toda clase de partículas elementales, las cuales constituyen la materia y la radiación que observamos en el Universo. El problema es que aún se desconoce la naturaleza del Inflatón – el campo responsable del proceso inflacionario – y, desafortunadamente, el Recalentamiento depende crucialmente de conocer los detalles de dicho campo.

Aunque se desconocen las características del Inflatón, se supone que su dinámica está determinada por procesos de altas energías descritos por la física de partículas. En estos momentos se están realizando experimentos de colisiones de partículas a altas energías en grandes aceleradores como el LHC en el CERN (Ginebra), en búsqueda de los constituyentes fundamentales de la naturaleza y, en particular, del último eslabón del Modelo Estándar de Partículas, el bosón de Higgs.

El Higgs es un campo escalar cuya existencia es una suposición de la teoría que aún no ha sido confirmada y, en particular, se desconoce si su interacción gravitacional es igual a la del resto de las partículas. Utilizando dicha libertad, recientemente un grupo de la Universidad de Lausanne (Suiza) propuso un modelo en el que el Higgs podría ser responsable de generar la Inflación cósmica, siempre que éste poseyera un acoplo gravitacional no estándar. De esta manera, encontraron una correspondencia entre las recientes observaciones cosmológicas y los inminentes experimentos del CERN. En concreto, las propiedades estadísticas de las anisotropías observadas en el fondo de radiación imponen restricciones sobre la masa del bosón de Higgs, lo que podría ser testado en el LHC. Las conexiones entre el Universo primitivo y los experimentos de partículas son muy valiosas pues permiten acotar mejor las teorías físicas sobre el origen del Universo.

En un trabajo reciente, publicado en la revista americana Physical Review D, el grupo de investigación compuesto por Daniel G. Figueroa, Javier Rubio y Juan García-Bellido, del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid, España, estudió las consecuencias que dicho modelo tendría para el origen de la radiación y la materia en el Big Bang. Al final del proceso inflacionario, el campo del Inflatón – el Higgs en este caso -, terminaría convirtiendo su enorme densidad de energía en radiación y materia, la cuál alcanzaría más tarde el equilibrio térmico. Dicho proceso de creación de partículas, es muy complejo de tratar matemáticamente y, a partir de un cierto momento, el problema debe ser introducido en un ordenador.

La investigación llevada a cabo por este grupo ha consistido precisamente en desarrollar el formalismo matemático y la fenomenología física del proceso, hasta el momento, en el cuál la evolución del plasma de partículas creado se vuelve demasiado complicada como para seguir tratándola analíticamente. Estos investigadores han sido capaces de calcular cuál es la distribución de energía de todas las partículas del Modelo Estándar creadas en este proceso. Pero aún queda por saber cómo ese plasma de partículas, que está fuera del equilibrio, evoluciona en el tiempo hasta que las distribuciones de todas las partículas adquieren una temperatura común. Cuando se alcanzase dicha temperatura, ese momento representaría el comienzo de la evolución térmica del Universo descrita por la teoría del Big Bang.

Puesto que se conocen todas las interacciones del Higgs con el resto de partículas elementales, en principio se debería ser capaz de entender dicho fenómeno de termalización, y predecir así el instante en la evolución del Universo en el que éste adquirió una temperatura común por primera vez. Si se consigue entender dicho proceso, se habrá comprendido de dónde ha salido toda la materia y la radiación del Universo. Lo impresionante de este nuevo modelo es que, al proponer que el campo del inflatón es el bosón de Higgs, se pueden contrastar las predicciones que hace el modelo sobre el recalentamiento del Universo primitivo, con las observaciones cosmológicas y los datos de los aceleradores de partículas.

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ESA, LFI & HFI Consortia (Planck), fondo: A. Mellinger

Los resultados preliminares de la misión Planck de la Agencia Espacial Europea, ESA, cuyo objetivo es estudiar el Universo temprano, indican que la calidad de los datos es excelente. Ésta es una buena señal de cara al relevamiento de todo el cielo que acaba de comenzar.

Planck comenzó a analizar el cielo desde su ventajosa posición, en el segundo punto de Lagrange, del sistema Sol-Tierra, llamado ‘L2′, el 13 de agosto de 2009, cuando se terminaron de ajustar sus instrumentos para obtener un óptimo rendimiento.

El observatorio de microondas Planck, de la ESA, es la primera misión europea diseñada para estudiar la radiación del Fondo Cósmico de Microondas, conocida como CMB, por sus siglas en inglés, la supuesta radiación fósil del Big Bang.

Tras su lanzamiento realizado el 14 de mayo de 2009, comenzaron las comprobaciones de los diferentes subsistemas del satélite, mientras se enfriaban los detectores de sus instrumentos. Los detectores buscan variaciones en la temperatura de la CMB del orden de la millonésima parte de un grado, lo cual es comparable a medir, desde la Tierra, el calor que desprende un conejo sentado en la Luna. Para conseguir esto, los detectores de Planck deben permanecer a una temperatura extremadamente baja, en alguno de ellos incluso cerca del cero absoluto (-273,15°C, o cero Kelvin, 0 K).

Luego de completar las comprobaciones de los subsistemas y optimizar la puesta en servicio de los instrumentos, la calibración inicial terminó durante la segunda semana de agosto.

El relevamiento de ‘primera luz’, que comenzó el 13 de agosto de 2009, consistió en dos semanas de observación continua del cielo por parte de Planck. Esta operación se llevó a cabo para verificar la estabilidad de los instrumentos y la capacidad de calibrarlos durante largos periodos para alcanzar la gran precisión requerida.

Este primer relevamiento concluyó el 27 de agosto de 2009, entregando mapas de una franja del cielo, uno para cada una de las nueve frecuencias que puede observar Planck. Cada mapa es un anillo, de alrededor de 15° de ancho, atravesando todo el cielo. Los análisis preliminares indican que la calidad de los datos es excelente.

Las operaciones rutinarias comenzaron enseguida de acabar el relevamiento de primera luz y continuarán, sin interrupciones, durante los próximos 15 meses, como mínimo. En 6 meses, aproximadamente, se ensamblará el primer mapa de todo el cielo.

Durante su vida operativa de 15 meses, Planck reunirá datos suficientes para realizar dos mapas completos del cielo. Para sacar el máximo provecho de la gran sensibilidad de Planck, los datos necesitarán una serie de ajustes finos y un análisis muy delicado. Planck promete desvendar un tesoro oculto que mantendrá ocupados a los cosmólogos y a los astrofísicos durante las próximas décadas.

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LIGO / Caltech

Un avance significativo en nuestra comprensión de la evolución temprana del Universo se ha logrado por parte de un equipo de científicos asociados a la Colaboración Científica y a la Colaboración Virgo del observatorio de ondas gravitacionales por interferómetro láser LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Los resultados del equipo aparecerán en la edición del 20 de agosto 2009 de la revista Nature.

Los científicos de ondas gravitatorias, entre ellos Lee Samuel Finn, profesor de física y de astronomía y astrofísica de la Universidad del Estado de Pensilvania (Penn State)  y Benjamín Owen, profesor de física de Penn State, han puesto nuevas restricciones a los detalles de cómo lucía el Universo en sus primeros momentos. Análisis de los datos del equipo, tomados durante un lapso de dos años, entre 2005 y 2007, han establecido los límites aún más estrictos sobre la cantidad de ondas gravitatorias que podrían haber llegado del Big Bang.

“Nuestros resultados son un paso importante hacia la detección de las ondas gravitatorias primordiales – ondulaciones en el tejido del espacio-tiempo – que se han creado cuando el Universo se expandió, en sus primeros momentos”, dijo Finn, miembro de la Colaboración Científica de LIGO desde su creación. “Este tipo de información puede proveer pistas vitales para la comprensión de cómo evolucionó la estructura del Universo. Por ejemplo, ¿por qué nuestro Universo está agrupado en galaxias? Esta información también nos dice si algunas de las propuestas fantásticas acerca de la forma en que nuestro Universo llegó a ser, son correctas”.

El Big Bang se cree que creó un flujo de ondas gravitatorias que aún llenan el Universo y llevan información acerca de cómo era el Universo inmediatamente después del Big Bang. Estas ondas deberían observarse como un “fondo estocástico”, análogo a una superposición de muchas ondas de diferentes tamaños y direcciones en la superficie de un estanque. La amplitud de este fondo está directamente relacionada con los parámetros que rigieron el comportamiento del Universo durante el primer minuto después del Big Bang.

Según Finn, “el espacio-tiempo es el escenario viviente donde se representa el drama del Universo. Las ondas gravitacionales estocásticas primordiales son las arrugas, torceduras  y dobleces en el espacio-tiempo que se establecieron cuando el Universo se expandió desde los primeros momentos hasta el presente. Las observaciones que presentamos en este trabajo son el sondeo más directo y cercano del marco en el que el Universo vive y respira”.

La investigación también restringe los modelos de cuerdas cósmicas, los objetos que se propone han quedado desde el principio del Universo y posteriormente se extendieron a longitudes enormes por la expansión del Universo. Las cuerdas, algunos cosmólogos dicen, pueden formar bucles que producen ondas gravitacionales, a medida que oscilan, decaen y, finalmente, desaparecen.

Las ondas gravitacionales llevan consigo información sobre sus orígenes violentos y sobre la naturaleza de la gravedad que no pueden ser obtenidas por las herramientas astronómicas convencionales. La existencia de las ondas fue predicha por Albert Einstein en 1916 en su teoría de la relatividad general. La evidencia de la existencia de estas ondas fue publicada, por primera vez, en la revista Nature, por J.H. Taylor, L.A. Fowler y P.M. McCulloch, en 1979. Los instrumentos de LIGO han buscado activamente estas ondas desde el año 2002 y el interferómetro Virgo se unió a la búsqueda, en 2007.

Los autores del trabajo informan que el fondo estocástico de ondas gravitacionales todavía no ha sido descubierto. Pero el no descubrimiento del fondo descrito en el artículo de Nature ofrece su propia marca de conocimiento de la historia temprana del Universo.

Los datos usados en el análisis fuero recogidos de los interferómetros de LIGO, un detector de 2 km y uno de 4 km en Hanford, Washington, y un instrumento de 4 km en Livingston, Louisiana. Cada uno de los interferómetros con forma de L utiliza un láser dividido en dos haces que viajan de ida y vuelta a lo largo de los brazos del interferómetro. Los dos haces se utilizan para monitorear la diferencia entre las longitudes de los dos brazos del interferómetro. Según la teoría de la relatividad general, un brazo del interferómetro se estira un poco mientras que el otro se comprime otro poco cuando pasa una onda gravitacional. El interferómetro se construyó de tal forma que puede detectar un cambio de menos de una milésima del diámetro de un núcleo atómico en las longitudes de los brazos, uno respecto al otro.

Según Francesco Fidecaro, profesor de física de la Universidad de Pisa y el Istituto Nacional de Física Nuclear, en Italia, y portavoz para la Colaboración Virgo: “Los científicos de la Colaboración Científica de LIGO y de la Colaboración Virgo han unido sus esfuerzos para hacer el mejor uso de sus instrumentos. La combinación de datos simultánea de los interferómetros de LIGO y Virgo da información sobre las fuentes de ondas gravitacionales que no son accesibles por otros medios. Es muy sugestivo que en el primer resultado de esta alianza se hace uso de la característica única de las ondas gravitacionales de poder investigar el Universo temprano. Esto es muy prometedor para el futuro “, dijo.

Maria Alessandra Papa, científica senior del Instituto Max Planck de Física Gravitacional y jefa de estrategia general del proyecto de análisis de datos agregó: “Cientos de científicos trabajan muy duro para obtener resultados fundamentales, como por ejemplo: los científicos de diseño de instrumentos que comisionan y operan los detectores, los equipos que preparan los datos para las búsquedas astrofísicas, y los analistas de datos que desarrollan e implementan técnicas sensibles para buscar estas  muy débiles y huidizas señales, en los datos”.

El próximo hito importante para LIGO es el proyecto LIGO Avanzado, programado para comenzar a operar en 2014. LIGO Avanzado incorporará los diseños y tecnologías avanzados que se han desarrollado por la Colaboración Científica LIGO. Es financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF) de los Estados Unidos, con contribuciones adicionales del Consejo de Servicios Científicos del Reino Unido (STFC) y la Sociedad Max Planck, de Alemania.

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