GRID, ATLAS y LHC, mucho más que doce letras

Con una capacidad de transmisión 10.000 veces superior al Internet actual, las redes GRID permitirán el intercambio de información a unos niveles inimaginables que posibilitarán, por ejemplo, descargar una película en cuestión de segundos. Se tratata de un sistema de computación para compartir recursos que se convertirá en el protagonista de la segunda revolución web.


El témino GRID hace referencia a una gran infraestructura que permite, mediante protocolos específicos, utilizar ordenadores, bases de datos y redes que son administradas por diferentes organizaciones. La idea básica de las tecnologías GRID consiste en aprovechar de manera coordinada los recursos de todas las computadoras distribuidas por todo el mundo e integrarlas en un sistema global de cálculo y almacenamiento de datos. Es decir, utilizar las posibilidades que ofrecen los ordenadores no sólo para intercambiar información, sino también para gestionarla y trabajar con ella. La utilización de estas tecnologías propiciará la creación de grupos de trabajo que unirán sus esfuerzos tecnológicos con la intención de crear un superordenador que permitirá el intercambio de información a una escala impensable con las redes actuales de Internet. Una de las primeras áreas que se beneficiará del GRID será la física, pero se prevé que se aplique en todas aquellas disciplinas que necesiten mecanismos de procesamiento y almacenamiento de grandes cantidades de datos, como es el caso de la medicina o la meteorología. Con el tiempo, no es difícil imaginar las posibilidades sociales de las infraestructuras GRID con la capacidad de procesamiento de información del más potente superordenador que haya existido al alcance de un clic desde la propia casa.



En Valencia, el Grupo de Computación GRID del Instituto de Física Corpuscular (Universidad de Valencia + CSIC) colabora activamente en programas internacionales de investigación en este campo. Actualmente colaboran en el proyecto ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) en España, uno de los cuatro experimentos que se llevarán a término en el acelerador de partículas Large Hadron Collider (LHC) del CERN a partir del próximo septiembre. El objetivo del ATLAS es encontrar las partículas masivas no detectadas todavía y que son necesarias para corroborar el modelo estándar. Una de estas partículas es el bosón de Higgs, la llamada partícula de Dios, que desempeña un papel fundamental en la explicación del origen de la masa del resto de partículas. Para conseguir encontrar esta partícula se realizarán colisiones entre dos haces de protones en unas circunstancias parecidas a las del Big Bang, que aportarán un volumen de datos de 15 millones de gigabytes. Dada la cantidad de información y la rapidez con que se genera, es imposible que el CERN almacene el resultado de todas las colisiones, por lo cual es necesario conservar los datos de manera segura para analizarlos posteriormente. Y ahí es donde entran en funcionamiento las tecnologías GRID.

El Large Hadron Collider, LHC:

El LHC consta de un cilindro de 27 Km de circunferencia, enterrado a 100 metros bajo tierra, a través del cual viajarán dos haces de protones a una velocidad cercana a la luz. Los protones chocarán en cuatro puntos diferentes donde se han instalado unos colisionadores tan grandes como la catedral de Notre Dame. La función de estos es analizar las partículas resultantes de la colisión de dos mil millones de protones en unas condiciones parecidas al Big Bang. En el LHC se espera una producción de 100 colisiones por segundo de 1 MB cada una, que aportarían un volumen de información de 15 millones de gigabytes, el equivalente a 56 millones de CD cada año.

La construcción del LHC ha tenido un coste total de 3.900 millones de euros, y se han involucrado miles de científicos de 50 países de todo el mundo. Después de 19 años de construcción, a partir de septiembre comenzarán a realizarse los cuatro experimentos: CMS, ALICE, LHCb y ATLAS, en el cual participa el IFIC de Valencia junto con 2.100 físicos de 37 países. El principal objetivo del LHC, mediante el experimento ATLAS, es encontrar la partícula masiva nombrada bosón de Higgs.

Mis agradecimientos a la revista Mètode (nº 57) de la Universidad de Valencia.

La prehistoria de la materia, la era hadrónica

Estoy leyendo el libro titulado "La historia de la materia, del Big Bang al origen de la vida", de León Garzón Ruipérez (Ed. Nobel,1994) que me recomendó un amigo. Me he detenido en la llamada era hadrónica, una especie de era prehistórica de la materia de duración casi "infinitisimal" en que comienzaron a formarse los componentes básicos de la misma. Se inició con una temperatura ligeramente superior al umbral que corresponde a la formación del neutrón, unos 10¹³ K, y se extiendió desde una diezmillonésima hasta una diezmilésima de segundo, contado desde el origen del Universo. El Universo era en ese momento un plasma completamente ionizado y globalmente neutro, con un predominio aplastante de la radiación sobre la materia, siendo de hecho la concentración de los fotones unos mil millones de veces superior a la de cada partícula. Por ello suele decirse que el sistema constaba de radiación y una ligerísima contaminación de partículas. A causa de la gran abundancia de los fotones en relación con las partículas, los choques entre ellos debieron ser mucho más frecuentes que entre las partículas, mientras que éstas no podrían evitar las colisiones con los fotones.


Los hadrones (ver: Gran Colisionador de Hadrones, LHC) se consideran agregados de quarks que se mantienen enlazados mediante la fuerza nuclear fuerte, la más intensa de las cuatro interacciones conocidas. La agrupación de los quarks puede ser por trios o parejas, originando dos subclases: bariones y mesones. Estos últimos se consideran formados por un quark y un antiquarks. Los quarks son : up (arriba), down (abajo), charm (encanto), strange (extraño), top (cima) y bottom (fondo), por lo que las posibilidades de existencia de hadrones son muy numerosas. Solamente considerando los tres primeros, el número de posibles agrupamientos (con repetición) es de diez. Con los u y d, que son los constituyentes de la materia ordinaria, resultan los siguientes agregados: uuu, uud, udd y ddd.

Como las cargas de los quarks son u=2/3, d=-1/3, en unidades de carga del electrón, es fácil comprobar que las cuatro combinaciones anteriores poseen respectivamente las cargas 2, 1, 0. -1. De todos estos hadrones, el segundo y el tercero son precisamente el protón y el neutrón. En cuanto a los mesones, es interesante considerar los piones PI+, PI cero y PI-, cuyas agrupaciones son, respectivamente u anti d, u anti u, d anti u.

Casi parece cosa de magia que podamos saber lo que ocurrió en los primeros instantes después del Big Bang, pero debido a la enorme velocidad de los procesos nucleares en relación con el enfriamiento, es posible, por aplicación de los métodos termodinámicos, describir el estado del sistema del Universo en expansión a cualquier temperatura. Esta desciende de acuerdo con la expresión: T = 1,5 10¹⁰/(raiz cuadrada del tiempo) , expresando la temperatura en grados absolutos o Kelvin y el tiempo en segundos.Rebasado el umbral (hacia abajo) correspondiente a los nucleones, estos dejan de producirse, al no disponer los fotones de la suficiente energía térmica para ello, y no se puede evitar, por contra, que desaparezcan por aniquilación. De no ser porque existió un ligero exceso de nucleones sobre antinucleones hubieran desaparecido para siempre, dejando únicamente como huella de su presencia los rayos gamma (fotones). Así es que muy pronto desaparecieron todos los antinucleones y quedó un resto, una ligera contaminación de materia que constaba de neutrones, protones, piones, muones (positivos y negativos), electrones y positrones y neutrinos y antineutrinos.

En apenas una "milésima de un suspiro" la sopa primigenia del Big Bang, en la que ni siquiera se habían formado los nucleones (protones y neutrones), pues únicamente se encontraban los quarks todavía no confinados, pasó a contener los elementos esenciales para poder formar los primeros núcleos atómicos. Con estos empieza la historia de la materia, con aquellos la "prehistoria". En esa "milésima de milésimas" se decidió toda la historia posterior.Sin esa ligera asimetría entre materia y antimateria nada habría sido igual y este Universo no habría dado ni la materia ni la vida. Esa parece ser la sutil constante en el desarrollo posterior de la materia y de la organización de las estructuras que, lejos del equilibrio, luchan por arrebatar el orden al entorno para autoorganizarse en sistemas cada vez más complejos, en lucha directa con el segundo principio de la termodinámica que establece que cualquier sistema cerrado tiende a la máxima entropía o al mínimo orden.

Para una visión más general ver el post: Los tres primeros minutos del Universo.

El mecanismo de Higgs: la creación de la masa en el Universo.

“Los dioses crearon al mundo con alguna imperfección simétrica. Esto, con el objetivo de que los humanos no sintieran envidia de sus poderes”. Richard Feynmann (Premio Nobel de Física)


Conforme nos acercamos a comprender el mismo instante del Big Bang, crece nuestra excitación, nos da la sensación de que casi parece que tocamos el momento de la creación. Ese sentimiento es el que debe haber experimentado la persona que bautizó a la partícula llamada bosón de Higgs como partícula Dios, por ser la partícula cuántica asociada a un campo escalar llamado de Higgs, capaz de conferir masa al resto de las partículas y a la propia (podría haber recibido también el nombre de otros colegas como Brout, Engler o Kibble, como reconoce el propio Peter Ware Higgs).

En un estado inicial unificado y simétrico (las cuatro fuerzas constituían una sola fuerza unificada y simétrica) existirían unos campos asociados con partículas de interacción sin masa. La idea fundamental del mecanismo de Higgs consiste en introducir un nuevo campo escalar que ofrece la propiedad de no anularse en el vacío, pues anularlo costaría energía. El estado inicial simétrico sería similar a lo que ocurre en la figura, la base de una botella de vino. Si situamos en el punto superior de la base una bolita, nos encontraremos con una situación perfectamente simétrica pero inestable (campos sin masa). De forma espontánea, esta simetría tenderá a romperse en dirección de una situación final no simétrica pero con menor energía potencial, la bolita descansará en la parte más baja de la base (campos con partículas asociadas con masa).

Una simetría puede ser perfecta en el plano de las ecuaciones y resultar rota en el plano de las soluciones. Como decía Weinberg: «Aunque una teoría postule un alto grado de simetría, no es necesario que los estados de las partículas muestren la simetría. Nada me parece tan halagüeño en física como la idea de que una teoría puede tener un alto grado de simetría que se nos oculta en la vida ordinaria».


La teoría que unifica las interacciones electromagnéticas y débil se debe a Glashow, Salam y Weinberg que obtuvieron por ella el Premio Nobel de física de 1979. La dificultad esencial de esta teoría es que los bosones del estado inicial simétrico debían ser de masa nula (masa nula de los bosones de interacción origina una fuerza a gran distancia), mientras que se necesitan bosones intermedios (partículas que originan la fuerza) muy masivos para justificar la interacción débil (corto alcance) . El mecanismo de Higgs, permite resolver esa dificultad, mediante la ruptura espontánea de simetría hace masivos los bosones W y Z (interacción débil) y mantiene nula la masa del fotón (interacción electromagnética).

En la física de estado sólido encontramos algunos mecanismos similares. Cuando un metal se encuentra sometido a un campo magnético, y se le enfría hasta convertirlo en superconductor, las líneas del campo son expulsadas brutalmente del superconductor, por la formación de un campo escalar formado por pares de electrones (dos fermiones de espín ½ , o pares de Cooper) que constituyen bosones de espin 0. El campo magnético penetra en el semiconductor en una capa muy fina. El espesor de ésta corresponde a un alcance efectivo del campo magnético que se comporta así como un campo masivo. En las interacciones débiles, el vacío representa el papel del semiconductor, el campo de Higgs, el papel del campo de los pares de Cooper, y el campo de interacción débil, el campo magnético.



En noviembre de 2007 se pondrá en funcionamiento el mayor acelerador del mundo, el LHC (Large Hadron Collider) que investigará la razón de que exista la masa de las partículas y tratará de descubrir el bosón de Higgs. Se encuentre o no se encuentre esta partícula, significará un antes y un después en el conocimiento más íntimo de la materia. En la figura se observa el electroimán superconductor más grande que existe, el ATLAS. Forma parte del LHC, en el laboratorio internacional de física de alta energía CERN en Ginebra.