En Amazings: Cuando el CERN intentaba afinar sus instrumentos

De nuevo, participo en Amazings hablando del CERN. Esta vez la entrada tiene la novedad de ser un artículo realizado junto a @emulenews. Me ha gustado la experiencia, por lo que no descarto futuras colaboraciones con algún bloguero. Os dejo con la entrada, y como siempre, gracias por los comentarios.

Tras años con tu antiguo coche adquieres uno nuevo. Como conductor tienes que modificar tus hábitos para aprovechar todas las ventajas de tu nuevo vehículo. Por ejemplo, el motor no está castigado y tendrás que alargar un poco más las marchas; la sensibilidad y recorrido de los pedales será mucho menor, y mayor la respuesta del motor. Este proceso de recalibración de tus hábitos de conducción es aún más importante cuando se trata de una actividad profesional. En un equipo de Fórmula 1 hay técnicos especialistas en ayudar al piloto a adaptarse al coche de una temporada a otra. Por ejemplo, el cambio del proveedor de neumáticos en la temporada 2011, de Bridgestone a Pirelli, obligó a todos los pilotos a “recalibrar” su conducción.

Lo mismo ocurre en el mundo científico. En investigación, garantizar una gran precisión en los resultados, sobre todo en la medición de nuevos fenómenos físicos, requiere rutinas de calibración de todo el equipo y de toda la instrumentación del laboratorio. En los grandes experimentos en instalaciones como la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), cerca de Ginebra, donde trabajan equipos de miles de investigadores, esta tarea la realiza personal especializado.

Tal y como dicta el sentido común, cuanta mayor sea la ambición de resultados, mayores han de ser las garantías de que ese resultado es correcto. Por ello, para proclamar el descubrimiento de una nueva partícula se requieren cinco sigmas (una probabilidad menor de una parte en tres millones de que el resultado sea debido a ruido en los datos). Así lo estamos viviendo con el descubrimiento del bosón de Higgs; se ha proclamado el descubrimiento a cinco sigmas de una nueva partícula muy parecida al Higgs, pero no se han alcanzado aún para asegurar que se trata de la partícula predicha por la teoría.

La calibración de un gran experimento puede parecer una labor aburrida, pero muchas veces está sazonada con gran número de anécdotas y curiosidades.

La mejor ilustración son los problemas de calibración del Gran Colisionador de Electrones contra Positrones (LEP, siglas de Large Electron-Positron Collider), que ocupó entre los años de 1989 a 2000 el túnel de 27 km de circunferencia del CERN que ahora ocupa el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, siglas de Large Hadron Collider). Los interesados en más detalles sobre la historia de este experimento pueden consultar esta entrada.

En los aceleradores de partículas circulares uno de los problemas más graves es la pérdida de energía por radiación sincrotrón. Cuando una partícula cargada 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.

Por ejemplo, en 1992, se descubrió que la energía del haz tenía dos picos de intensidad, tal y como se demuestra en la primera gráfica. Los científicos no comprendían qué lo ocasionaba, ya que no respondía a sus cálculos teóricos. 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 1MeV. (PÁG 9). Tan aclamado fue la solución al fallo, que tuvo una gran repercusión mediática, tal y como se ve en la imagen siguiente.

Sin embargo, las mareas no sólo eran de agua, sino también de tierra. Éstas tienen unas características distintas de las precedentes. En ellas, el Sol influye en ⅓ y la Luna en ⅔ de la fuerza total, sin embargo, no son periódicas cada 12 horas y dependen del eje de rotación de la Tierra. Se puede ver en la primera figura tras el párrafo. Como consecuencia de estos movimientos terrestres, la alteración de la señal era la que se muestra dos imágenes a continuación:

Pero hay más factores naturales además de la Luna, y no estoy hablando de algo tan improbable como un terremoto, ¡qué va! Los diseñadores del CERN se percataron de que había que calibrar el haz de energía para las ÉPOCAS LLUVIOSAS. El territorio en el que se encuentra el experimento no es que sea un desierto precisamente, sino que todos recordamos a la vaca de Milka, que vive por ahí, en verdes prados. Y para que sean del color de la esperanza, tiene que llover. Y la lluvia, también afectó a la calibración del LEP, concretamente, existía una oscilación de hasta dos milímetros (2000 veces peor que la precisión requerida).

Pero los problemas no acabaron ahí, ya que en la primavera de 1994, se detectó un exceso de 5 MeV respecto al modelo que predecían los diseñadores LEP. La gráfica exactamente era la que se muestra a continuación:

No se podía considerar ruido de señal, ya que la diferencia de energía entre el modelo predictivo y la realidad eran demasiado grandes. Más aún, la cosa se volvió misteriosa cuando se estudió más en detalle estas diferencias de señal, ya que se descubrió que no afectaban por la noche.

Sin embargo, más enigmático fue cuando a lo largo de un día completo no hubo 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.

Pero ojo, no me estoy refiriendo al peso y esfuerzo mecánico que supone el paso del tren, sino el de la actividad eléctrica que provoca.

El túnel del LEP estaba afectado por un 1A de corriente continua procedente de la catenaria del tren, concretamente.