La Traca #3 Luciérnagas: El CERN y el tren de alta velocidad

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Ya está disponible el tercer podcast de La Traca (de la Ciencia), mi sección en el programa de radio Luciérnagas de Dante Cáceres. Divulgación científica en la Radiotelevisión Diocesana, en el canal de Radio Santa María de Toledo. Se emite todos los martes a las 22:40 horas (hora de Madrid), los miércoles a las 03:00 horas y los domingos a las 24:00 horas.

El tren de alta velocidad y el CERN. En el CERN (siglas de Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, entre los años 1989 y 2000, operó el Gran Colisionador de Electrones contra Positrones, llamado LEP (siglas de Large Electron-Positron Collider). Allí ocupó el túnel de 27 km de circunferencia del CERN que ahora ocupa el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, siglas de Large Hadron Collider). En el año 1992 se descubrió que la energía del haz tenía dos picos de intensidad, en lugar de uno solo. Los científicos no comprendían qué lo ocasionaba, ya que no respondía a sus cálculos teóricos.

Más información en J. Wenninger, “Energy Calibration at LEP. Spins, Tides and Vagabond Currents,” LEP Fest 10 Oct 2000 [slides PDF]; Ralph Aβmann, Mike Lamont, Steve Myers (for the LEP team), “A brief history of the LEP collider,” Nuclear Physics B – Proceedings Supplements 109: 17-31 (2002), doi: 10.1016/S0920-5632(02)90005-8. Más información divulgativa en Julián Estévez, “Cuando el CERN intentaba afinar sus instrumentos”, Naukas, 27 Ago 2012; y en este blog “La historia del gran colisionador de electrones y positrones (LEP) del CERN”, LCMF, 27 Feb 2010.

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Finalmente, se descubrió que este fallo se debía a la Luna, la cual hacía que la corteza de la Tierra bajo el LEP suba unos cm, lo que provocaba que la circunferencia del túnel varíe y las partículas se desalineen del centro del túnel. Esto equivalía a una desviación de 13 micras y 1 MeV en energía. Las mareas que afectaban a LEP no sólo eran de agua, sino también de tierra. Éstas tienen unas características distintas de las precedentes. En ellas, el Sol influye en un tercio y la Luna en dos tercios de la fuerza total, sin embargo, no son periódicas cada 12 horas y dependen del eje de rotación de la Tierra.

Los problemas no acabaron ahí, ya que en la primavera de 1994, se detectó un exceso de 5 MeV respecto al modelo teórico que predecían los diseñadores LEP. El asunto se volvió misterioso cuando se estudió más en detalle estas diferencias de señal, ya que se descubrió que no afectaban por la noche. Ocurría todos los días, hasta que hubo un día completo en el que no hubo ninguna alteración de la señal. Los científicos no pararon de comprobar los fenómenos naturales que acontecieron ese día, hasta que en noviembre de 1995 se descubrió que el responsable de este comportamiento anómalo era el tren TGV con dirección a París, el cual tuvo un día de parón en la histórica huelga francesa de 1995. La causa era la actividad eléctrica que provoca la catenaria del tren por la que pasa hasta un amperio de corriente.

Dibujo20171130 vagabond currents from tvg over lep

¿Cómo se descubrieron estos efectos tan sutiles? En los aceleradores de partículas circulares uno de los problemas más graves es la pérdida de energía por radiación sincrotrón: toda partícula cargada que se mueve a velocidades ultrarrelativistas (cercanas a la velocidad de la luz) en una trayectoria circular emite un cono de radiación en la dirección tangencial a la trayectoria; el cono es más estrecho cuanto más rápida es la partícula. Esta radiación está polarizada linealmente ya que el vector de campo eléctrico de la radiación apunta en la dirección del radio de curvatura de la trayectoria (en un órbita circular, apuntará al centro de la circunferencia).

Los efectos cuánticos en la radiación sincrotrón provocan que el espín de los electrones (positrones) se reoriente en una dirección paralela (antiparalela) al campo magnético exterior, es decir, los propios electrones se “polarizan” en la dirección transversal al movimiento. En las colisiones entre electrones y positrones para controlar con precisión el perfil de la energía del haz en el punto de colisión conviene que su espín esté orientado en la dirección longitudinal, lo que se puede lograr gracias a que los campos magnéticos aplicados para curvar la trayectoria de los electrones no son homogéneos. Un control preciso de estos campos magnéticos permite compensar el efecto de la radiación sincrotrón y lograr que en los puntos de colisión las partículas reorienten sus espines en la dirección longitudinal. Se trata de un proceso muy delicado y que requiere una gran calibración de los instrumentos.

Los efectos de la Luna y del tren de alta velocidad se observaron gracias a la gran precisión en la calibración de los haces de electrones y positrones en el LEP. Una vez conocidos los efectos se pueden tener en cuenta y descontarlos cuando sea necesario y así hacer que el funcionamiento de la máquina sea robusto.

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