La partícula divina (44 page)

Tras su colisionador original, Stanford construyó en 1973 un acelerador muy productivo, el SPEAR (acrónimo que quiere decir lanza), para el Anillo del Acelerador de Positrones y Electrones de Stanford. Aquí los haces de electrones se aceleran en un acelerador de más de tres kilómetros de largo hasta una energía entre 1 y 2 GeV, y se los inyecta en un pequeño anillo de almacenamiento magnético. Una secuencia de reacciones producía las partículas de Carl Anderson, los positrones. Primero, el intenso haz de electrones incide en un blanco y produce, entre otras cosas, un intenso haz de fotones. La ceniza de partículas cargadas es barrida con imanes, que no afectan a los fotones, neutros. Así se consigue que un limpio haz de fotones golpee en un blanco delgado, de platino, por ejemplo. El resultado más común es que la pura energía del fotón se convierta en un electrón y un positrón, que compartirán la energía original del fotón menos la masa en reposo del electrón y del positrón.

Un sistema de imanes recoge cierta fracción de los positrones, que se inyecta en un anillo de almacenamiento donde los electrones han estado pacientemente dando vueltas y vueltas. Los flujos de positrones y de electrones, que tienen cargas eléctricas opuestas, se curvan bajo el efecto de un imán en direcciones opuestas. Si uno de los flujos va en el sentido de las agujas del reloj, el otro va al revés que el reloj. El resultado es obvio: colisiones frontales. SPEAR hizo varios descubrimientos importantes, los colisionadores se volvieron muy populares y una plétora de acrónimos poéticos (¿?) invadió el mundo. Antes de SPEAR estuvo ADONE (Italia, 2 GeV); tras SPEAR, DORIS (Alemania, 6 GeV) y luego PEP (otra vez Stanford, 30 GeV), PETRA (Alemania, 30 GeV), CESR (Cornell, 8 GeV), VEPP (URSS), TRISTAN (Japón, de 60 a 70 GeV), LEP (CERN, 100 GeV) y SLC (Stanford, 100 GeV). Obsérvese que se tasa a los colisionadores por la suma de las energías de los haces. El LEP, por ejemplo, tiene 50 GeV en cada haz; por lo tanto, es una máquina de 100 GeV.

En 1972, se dispuso de colisiones frontales de protones en el pionero Anillo Intersector de Almacenamiento (ISR) del CERN, instalado en Ginebra. En él se entrelazan dos anillos independientes; los protones van en direcciones opuestas en cada anillo y chocan de frente en ocho puntos de intersección diferentes. La materia y la antimateria, los electrones y los positrones, por ejemplo, pueden circular en el mismo anillo porque los imanes los hacen circular en direcciones opuestas, pero hacen falta dos anillos separados para machacar unos protones contra otros.

En el ISR, cada anillo se llena de protones de 30 GeV procedentes del acelerador del CERN más convencional, el PS. El ISR tuvo finalmente un gran éxito. Pero cuando se puso en marcha en 1972, obtuvo sólo unos cuantos miles de colisiones por segundo en los puntos de colisión de «alta luminosidad». «Luminosidad» es la palabra que se usa para describir el número de colisiones por segundo, y los problemas iniciales del ISR demostraron lo difícil que era conseguir que dos balas de ametralladora (los dos haces) chocaran. La máquina acabó por mejorar hasta producir más de 5 millones de colisiones por segundo. Por lo que se refiere a la física, se hicieron algunas mediciones importantes, pero, en general, el ISR fue más que nada una experiencia de aprendizaje valiosa acerca de los colisionadores y las técnicas de detección. El ISR era una máquina elegante, tanto técnicamente como por su apariencia: una típica producción suiza. Trabajé allí durante mi año sabático de 1972, y volví con frecuencia a lo largo de los diez años siguientes. Enseguida me llevé a I. I. Rabi, que visitaba Ginebra por un congreso de «Átomos para la Paz», a dar una vuelta por allí. En cuanto entramos en el elegante túnel del acelerador, Rabi se quedó con la boca abierta, y exclamó: «¡Ah, Patek Philippe!».

El colisionador más difícil de todos, el que enfrenta a los protones contra los antiprotones, llegó a ser posible gracias al invento de un ruso fabuloso, Gershon Budker, que trabajaba en la Ciudad de la Ciencia Soviética, en Novosibirsk. Budker había estado construyendo máquinas de electrones en Rusia, en competencia con su amigo norteamericano Wolfgang Panofsky. Se trasladó su actividad a Novosibirsk, a un nuevo complejo universitario en Siberia. Como dice Budker, Panosfsky no fue trasladado a Alaska; la competición; pues, no era justa y él se vio obligado a innovar.

En Novosibirsk, en los años cincuenta y sesenta, Budker llevó un floreciente sistema capitalista de vender a la industria soviética pequeños aceleradores de partículas a cambio de materiales y dinero que permitieran a sus investigaciones seguir adelante. Le apasionaba la perspectiva de usar los antiprotones, o p-barras, como elemento que chocase contra otros en un acelerador, pero sabía que eran un bien escaso. El único lugar donde se les encuentra es en las colisiones de alta energía, donde se producen gracias, sí, a
E = mc²
. Una máquina de muchas decenas de GeV tendrá unos cuantos p-barras entre las cenizas de las colisiones. Si quería reunir suficientes para que las colisiones ocurrieran a unos ritmos útiles, tenía que acumularlos durante muchas horas. Pero a medida que los p-barras salen de un blanco golpeado, se mueve cada uno por su sitio. A los expertos en aceleradores les gusta expresar esos movimientos mediante su dirección principal y energía (¡justo!) y los movimientos laterales superfluos que tienden a llenar el espacio disponible de la cámara de vacío. Budker vio —este fue su hallazgo— la posibilidad de «enfriar» las componentes laterales de sus movimientos y comprimir los p-barras en un haz mucho más denso a medida que se almacenaban. Es un asunto complicado. Deben alcanzarse unos niveles de control del haz, de estabilidad magnética y de ultravacío inauditos. Hay que almacenar los antiprotones, enfriarlos y acumularlos más de diez horas antes de que haya suficientes para inyectarlos en el colisionador, donde se los acelerará. Era una idea poética, pero el programa era demasiado complejo para los limitados recursos de Budker en Siberia.

Entra Simon Van der Meer, ingeniero holandés del CERN que hizo avanzar esta técnica de enfriamiento a finales de los años setenta y contribuyó a construir la primera fuente de p-barra, para que se usase en el primer colisionador de protones y antiprotones. Utilizó el anillo de 400 GeV del CERN como dispositivo a la vez de almacenamiento y colisión, y las primeras colisiones p/p barra quedaron conectadas al sistema en 1981. Van de Meer compartió el premio Nobel de 1985 con Carlo Rubbia por haber contribuido con su «enfriamiento estocástico» al programa de investigación que había preparado Carlo Rubbia y que dio lugar al descubrimiento de las partículas W
⁺
, W
⁻
y Z°, de las que hablaremos más adelante.

Carlo Rubbia tiene una personalidad tan llamativa que merecería un libro entero, y al menos hay uno sobre él (Nobel Dreams, de Gary Taubes.) Carlo, uno de los graduados más brillantes de la asombrosa Scuola Normale de Pisa, donde fue estudiante Enrico Fermi, es una dinamo que no puede nunca ir más despacio. Ha trabajado en Nevis, en el CERN, en Harvard, en el Fermilab, otra vez en el CERN y luego otra vez en el Fermilab. Como ha viajado tanto, inventó un complejo sistema de minimizar gastos intercambiando las mitades de ida y vuelta de los billetes. Una vez le convencí por un rato de que se retiraría con ocho billetes de más, todos de oeste a este. En 1989 fue nombrado director del CERN; por entonces, el laboratorio del consorcio europeo había ido en cabeza durante unos seis años por lo que se refería a las colisiones de protones y antiprotones. Sin embargo, el Tevatrón se puso en cabeza de nuevo en 1987-1988, cuando el Fermilab hizo unas mejoras importantes en el montaje del CERN y puso en funcionamiento su propia fuente de antiprotones.

Los p-barras no crecen en los árboles y no podréis comprarlos en
Avíos El As
. En los años noventa el Fermilab es la mayor reserva mundial de antiprotones, que se almacenan en un anillo magnético. Un estudio futurista de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos y de la Rand Corporation ha determinado que un miligramo de antiprotones sería el combustible ideal de un cohete, pues contendría la energía equivalente a unas dos toneladas de petróleo. Como el Fermilab es el líder mundial en la producción de antiprotones (10
¹⁰
por hora), ¿cuánto le llevaría hacer un miligramo? Al ritmo actual, unos pocos millones de años, funcionando las veinticuatro horas del día. Algunas extrapolaciones de la tecnología actual increíblemente optimistas podrían reducir esta cifra a unos cuantos miles de años. Mi consejo es, pues, que no invirtáis en la
Mutua P-Barra de Fidelidad
.

El montaje del colisionador del Fermilab funciona como sigue. El viejo acelerador de 400 GeV (el anillo principal), que opera a 120 GeV, arroja los protones contra un blanco cada dos segundos. Cada colisión de unos 10¹² protones hace unos 10 millones de antiprotones, que apuntan en la dirección correcta con la energía correcta. Con cada p-barra hay miles de piones, kaones y otros residuos indeseados, pero son todos inestables y desaparecen más pronto o más tarde. Los p-barras se enfocan en un anillo magnético, el anillo «desapelotonador», donde se los procesa, organiza y comprime, y a continuación se los transfiere al anillo acumulador. Ambos anillos tienen alrededor de ciento cincuenta metros de circunferencia y almacenan p-barras a 8 GeV, la misma energía que el acelerador impulsor. El almacenamiento es un asunto delicado, pues todos nuestros equipos están hechos de materia (¿de qué si no?), y los p-barras son antimateria. Si entran en contacto con la materia… la aniquilación. Tenemos, por tanto, que mantener con el mayor cuidado a los p-barras dando vueltas cerca del centro del tubo de vacío. Y la calidad del vacío ha de ser extraordinaria, la mejor «nada» que la técnica pueda conseguir.

Tras la acumulación y la compresión continua durante unas diez horas, ya estamos listos para inyectar los p-barras de vuelta al acelerador de donde salieron. En un procedimiento que recuerda a un lanzamiento de la NASA, una tensa cuenta atrás tiene como objeto que haya la certidumbre de que cada voltaje, cada corriente, cada imán y cada conmutador están en condiciones. Se lanzan los p-barras a toda velocidad dentro del anillo principal, donde circulan en sentido contrario a las agujas del reloj a causa de su carga negativa. Se los acelera a 150 GeV y se los transfiere, de nuevo por medio de una prestidigitación magnética, al anillo superconductor del Tevatrón. Ahí, los protones, recién inyectados desde el impulsor a través del anillo principal, han estado esperando con paciencia, circulando incansablemente en el acostumbrado sentido del reloj. Ahora tenemos dos haces, que corren en direcciones opuestas por los más de seis kilómetros del anillo. Cada haz consta de seis pelotones de partículas, cada uno de los cuales tiene alrededor de 10¹² protones, con un número algo menor de p-barras por pelotón.

Ambos haces se aceleran desde los 150 GeV, la energía que se les impartió en el anillo principal, hasta toda la energía que puede dar el Tevatrón: 900 GeV. El paso final es «apretar». Como los haces circulan en sentidos opuestos por el mismo y pequeño tubo, se han estado cruzando, inevitablemente, durante la fase de aceleración. Sin embargo, su densidad es tan baja que hay muy pocas colisiones entre las partículas. «Apretar» energiza unos imanes superconductores cuadripolares especiales que comprimen el diámetro de los haces, y de tener el mismo que una paja para sorber (unos pocos milímetros) pasan a no ser más gruesos que un cabello humano (micras). Esto aumenta la densidad de partículas enormemente. Ahora, cuando se cruzan los haces hay al menos una colisión por cruce. Los imanes están retorcidos de manera que las colisiones ocurran en el centro de los detectores. El resto corre de su cuenta.

Una vez se ha establecido un funcionamiento estable, se encienden los detectores y empiezan a recoger datos. Lo normal es que esto dure de diez a veinte horas, mientras se van acumulando más p-barras con la ayuda del viejo anillo principal. Con el tiempo, los pelotones de protones y antiprotones se despueblan y se vuelven más difusos, y así se reduce el ritmo con que ocurren los sucesos. Cuando la luminosidad (el número de colisiones por segundo) disminuye a alrededor de un 30 por 100, y si hay suficientes p-barras nuevos almacenados en el anillo acumulador, se apagan los haces y se emprende una nueva cuenta atrás, como la de la NASA. Lleva una media hora rellenar el colisionador del Tevatrón. Se considera que alrededor de 2.000 millones de antiprotones es un buen número para inyectar, Cuantos más, mejor. Se enfrentan a unos 500.000 millones de protones, mucho más fáciles de obtener, para producir unas 100.000 colisiones por segundo. Las mejoras que se harán a todo esto y que, según se prevé, estarán instaladas en los años noventa, aumentarán esas cantidades en un factor de diez, más o menos.

En 1990, el colisionador del CERN de p y p-barras fue retirado, con lo que todo el campo quedó en manos de la instalación del Fermilab, con sus dos poderosos detectores.

Aprendemos acerca del dominio subnuclear observando, midiendo y analizando las colisiones que producen las partículas de grandes energías. Ernest Rutherford encerró a sus colaboradores en una habitación a oscuras para que pudiesen ver y contar los destellos generados por las partículas alfa al dar en las pantallas de sulfuro de cinc. Nuestras técnicas de conteo de partículas han evolucionado considerablemente desde entonces, en especial durante el periodo posterior a la segunda guerra mundial.

Antes de la segunda guerra mundial, la cámara de niebla fue un instrumento de gran importancia. Anderson descubrió con una de ellas el positrón, y las había en los laboratorios de todo el mundo donde se investigasen los rayos cósmicos. La labor que se me asignó en Columbia fue construir una que habría de funcionar con el ciclotrón Nevis. Como yo era entonces un estudiante graduado que estaba absolutamente verde, no era consciente de las sutilezas de las cámaras de niebla, y competí con expertos de Berkeley, el Cal Tech, Rochester y otros sitios así. Las cámaras de niebla son un fastidio, y pueden «envenenarse», es decir, sufrir impurezas que crean gotas indeseadas, que se confunden con las que delinean las trazas de las partículas. Nadie tenía en Columbia experiencia con estos temibles detectores. Me leí toda la literatura y adopté todas las supersticiones: limpiar el cristal con hidróxido de sodio y lavarlo con agua triplemente destilada; hervir el diafragma de goma en alcohol metílico de cien grados; mascullar los ensalmos adecuados… Rezar un poco no hace daño.