Large Electron-Positron collider

LEP (Large Electron-Positron collider) era un acelerador-colisionador e⁺ e^- circular de unos veintisiete kilómetros de longitud, situado a cien metros bajo tierra en la frontera entre Francia y Suiza. Actualmente está siendo reemplazado por el LHC. Era el último paso del complejo de aceleradores del CERN, y en él los electrones y positrones eran inyectados y acelerados hasta la energía final de colisión mediante el uso de cavidades de radiofrecuencia. Un sistema de imanes dipolares curvaba los haces de electrones y positrones obligándoles a seguir una trayectoria circular.

En el LEP, los electrones y los positrones circulaban en sentidos opuestos a velocidades relativistas, agrupados en paquetes (bunches) de aproximadamente 1.6 cm de longitud y una sección de 0.3 × 0.01 mm².

Existían ocho puntos de colisión, en cuatro de los cuales había instalados sendos experimentos: ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL.

LEP empezó a operar en Agosto de 1989 y aunque originalmente fue diseñado para la producción de bosones Z⁰ (cuya masa es de 91.2 GeV/c²), con energías por haz previstas para su primera fase en torno a los 45 GeV y luminosidades de 10³¹ cm^-2·s^-1, las distintas mejoras que en los últimos años se introdujeron en él (incluyendo la instalación de cavidades superconductoras) permitieron alcanzar energías por haz de hasta 104.5 GeV.

Se denominó LEP 2 (también LEP200 o LEP-II) a la segunda fase del acelerador de partículas LEP, en la cual se ha incrementó la energía de colisión en el centro de masas por encima de los 130 GeV. Este incremento permitió la producción de pares de bosones W^± y Z⁰. Se esperaba que los sucesivos incrementos supusieran, incluso, el alcance del umbral de producción de nuevas partículas, como, por ejemplo, el bosón de Higgs. Las energías de colisión alcanzadas en el sistema centro de masas en cada año de funcionamiento, y la luminosidad integrada correspondiente recogida en el detector DELPHI, pueden verse en la siguiente tabla.

Parte de la infraestrucutura del LEP (en particular su túnel toroidal de 27 km ha sido utilizada para construir el LHC (Large Hadrons Collider) o GCH (Gran Colisionador de Hadrones).

En el verano de 1989, el acelerador LEP (iniciales de Large Electron-Positron collider o gran colisionador de electrones y positrones), del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), detectaba las primeras colisiones de electrones y positrones. Ahora, 11 años más tarde, acaba de terminar su distinguida carrera; las autoridades del CERN han decidido cerrarlo, a pesar de las indicaciones muy recientes de señales de la partícula de Higgs (ver Asoma en el CERN la partícula más buscada y El origen de la masa), la única que falta para completar el modelo estándar de interacciones. Este cierre es algo que muchos científicos sentimos profundamente. Y es que el ser humano tiene su mente construida de tal manera que es capaz de sentir afecto (o repulsión) no sólo por otros seres humanos, o animados, sino también por objetos materiales e incluso por algo aparentemente tan frío como un aparato científico.

Los aceleradores de partículas son, sin duda, los instrumentos más gigantescos y precisos construidos por el hombre. LEP, situado a caballo entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra, tanto en su versión original como en la última, conocida como LEP200 (por llegar su energía a algo más de 200.000 millones de electronvoltios) ha gozado y goza del cariño de los físicos de partículas, teóricos y experimentales.

Legado impresionante

Por ello, nos parece apropiado dedicarle unas líneas; y no sólo por su legado científico, ciertamente impresionante, sino porque este acelerador significó algo muy especial en la ciencia, en particular en la europea. En efecto, desde su construcción, LEP se constituyó en el más grande acelerador del mundo; y es muy poco probable que sus 27 kilómetros de circunferencia sean superados en un futuro próximo.

Pero además, desde un punto de vista técnico, es un instrumento que no tiene parangón. Por LEP circulan -más bien, circulaban- partículas, electrones y positrones, en direcciones opuestas. Van agrupados en pequeños paquetes de tamaño micrométrico, donde cada uno de ellos contiene del orden de un billón de electrones o positrones.
Estos paquetes (pensemos en gotas de un líquido) se cruzan en cuatro puntos 45.000 veces por segundo, y eventualmente un electrón de uno de ellos choca frontalmente con un positrón del contrario, produciéndose una interacción (como una pequeñísima explosión) cuyos fragmentos se registran en un detector que rodea al punto de choque.

No es fácil darse cuenta de las maravillas de ingeniería que todo esto requiere. Para que los paquetes se crucen en el lugar preciso, las partículas que los forman tienen que ser guiadas por campos magnéticos de manera que se mantengan dando vueltas durante varias horas en órbitas muy precisas. Y todo esto, moviéndose a una velocidad que dista menos de diez billonésimas de la de la luz, con lo que llegan a recorrer distancias equivalentes a hacer varias veces el viaje de ida y vuelta a Plutón.

Todo lo relacionado con LEP está rodeado de similares alardes técnicos. Un ejemplo ilustrativo: para saber la energía que llevan las partículas es necesario conocer con precisión la longitud exacta de su recorrido (la circunferencia de LEP). Ocurre que el suelo sobre el que descansa el acelerador, como cualquier otra parte de la corteza terrestre, se deforma un poco periódicamente debido al efecto marea (atracción de la Luna y el Sol). Este efecto es pequeñísimo, de una fracción de un milímetro en 27 kilómetros, pero no es despreciable para la precisión requerida por LEP, por lo que tiene que ser tenido en cuenta.

Esta precisión de la ingeniería es respondida por una precisión comparable en las medidas de magnitudes físicas realizadas. Es cierto que, a primera vista, esta máquina no ha hecho ningún descubrimiento sensacional. Todo lo que en LEP se ha medido era más o menos lo esperado. Pese a ello, su legado científico es simplemente impresionante. Año tras año, en este acelerador se han ido haciendo medidas con precisión antes considerada inalcanzable. Y estas medidas han servido para conseguir que tanto la teoría de interacciones fuertes (subnucleares) como, sobre todo, las unificadas de interacciones electromagnéticas y débiles, lo que se conoce como el modelo estándar de la física de partículas, se hayan convertido en algo que puede, sin duda, considerarse como el marco conceptual más completo y elaborado de la historia de la física.

Entre las medidas de precisión hechas en LEP están algunas de las determinaciones más exactas de la intensidad de las interacciones fuertes, la medida más precisa de la masa y propiedades de la partícula Z y, en competición con el colisionador de protones y antiprotones de Fermilab, cerca de Chicago (EE UU), las medidas de masas y propiedades de las partículas W, así como el triple vértice de interacción ZWW, predicho teóricamente en 1961 por Sheldon Glashow y sólo observable con LEP200 (las partículas W y Z son las responsables de la interacción débil, en particular de las desintegraciones radiactivas). También el conjunto de medidas con gran exactitud de propiedades de otras partículas (leptones, quarks c y b) realizadas en LEP constituirán por sí solas un legado científico de primera magnitud.

Pero sin duda las más impactantes de las medidas realizadas con LEP son las de precisión en interacciones electromagnéticas y débiles a gran energía (de 90.000 a 210.000 millones de electronvoltios), con unos errores inferiores al uno por mil. La precisión de estas medidas es tal que, invocando argumentos de consistencia interna del modelo estándar, fue posible inferir la existencia y la masa del quark más pesado, el quark top, antes de que éste fuese descubierto directamente, con las propiedades predichas, en el colisionador de Fermilab. Todavía hoy, cinco años después de este descubrimiento, las propiedades del quark top deducidas indirectamente de las medidas de LEP compiten en precisión con las hechas sobre el propio quark en Fermilab.

Algo similar ocurre con la medida directa de la masa del bosón W, realizada en Fermilab y en el propio LEP, y su inferencia indirecta a partir de otras medidas de precisión de este último.
Finalmente, e independientemente de las señales observadas últimamente acerca de la existencia de la partícula de Higgs, y que han prolongado la vida de LEP, la evidencia más creíble de su existencia es la indirecta, debida a medidas de precisión de otros procesos, en LEP. El que todas estas relaciones nada triviales de consistencia del modelo estándar se cumplan es algo que no sabíamos antes de que este acelerador echase a andar.

Lista de éxitos

Tal vez esta lista de éxitos explique el cariño que los científicos han sentido hacia LEP; como españoles y europeos tenemos otras razones, además de las científicas, para que LEP no pueda ser considerado un instrumento como otros. En efecto, LEP fue el primer acelerador europeo que estaba claramente por delante de lo que se hacía en EE UU.
El acelerador con objetivos similares que allí funcionó, el SLC de Stanford (California), fue el que, a pesar de algunos éxitos notables, hizo de pariente pobre en esta competición científica. Y podemos también destacar que, por primera vez en la historia de la física subatómica (que comenzó con el siglo XX) España ha contribuido al avance científico de una manera real, en condiciones de igualdad con el resto de los países europeos.

Alrededor de LEP se han formado en España más de cincuenta jóvenes investigadores, quienes han nacido científicamente sin el complejo de pensar que ser español, o no serlo, tenga ninguna relevancia en conexión con hacer ciencia. Finalmente, LEP también abre muchos interrogantes, el más espectacular de los cuales es la posible existencia de la partícula de Higgs, de la que LEP nos ha dejado tan cerca.

Después de tantos años de datos, podría parecer razonable un pequeño reposo. Pero los físicos, como todos los humanos, no siempre se caracterizan por ser razonables. Antes de que LEP terminase de funcionar, algunos ya perdían el sueño por el siguiente proyecto: el LHC (Large Hadronic Collider), que ocupará el mismo túnel y en donde tal vez algunos de los interrogantes abiertos por LEP dejarían de serlo.
 

Bibliografia

digital.el-esceptico.org

enciclopedia.us.es