Así funcionan las cámaras de burbuja, el gran detector de los años 70 que anticipó los aceleradores de partículas
Enrique Pérez
Editor especializado en tecnología de consumo y sociedad de la información. Estudié física, pero desde hace más de diez años me dedico a escribir sobre tecnología, imagen y sonido, economía digital, legislación y protección de datos. Interesado en aquellos proyectos que buscan mejorar la sociedad y democratizar el acceso a la tecnología.LinkedIn
La búsqueda de partículas subatómicas existía desde antes de los enormes aceleradores de partículas del CERN. Invisibles a través del microscopio,los físicos han tenido que ingeniárselas para poder detectarlasy visualizar su trayectoria.En 1952, Donald A. Glaserinventó la cámara de burbujas, similar a la de niebla pero donde las partículas dejaban un rastro de burbujas en un líquido ardiendo a punto de hervir.
Así funcionan las cámaras de burbuja, la antesala de los aceleradores de partículas y el mundo digital. La diferencia entre unos y otros es abismal. Lo que hoy en día elLarge Hadron Collideres capaz de capturar en menos de 2 horas, equivale a lo que durante 11 años se generó en el Big European Bubble Chamber (BEBC), la primera cámara de burbujas del CERN queinició su andadura en 1973.
Con la tecnología actual es relativamente factible manejar esa gran cantidad de datos, pero los6,3 millones de imágenesde la cámara de burbujas permitieron entre otros descubrimientos comprobar la existencia de la fuerza nuclear débil. Un hallazgo logrado gracias a estas peculiares cámaras de detección de partículas subatómicas.
El mecanismo de la cámara de burbujas se basa en la relación del punto de ebullición con la alta presión. Cuando la presión sobre el líquido se reduce repentinamente, el líquido se sobrecalienta ylas partículas que pasan a través del líquido dejan un rastro de burbujasque puede ser seguido por los científicos.
El trabajo de los físicos consiste en fotografiar y analizar con precisión los trazados de las partículas de alta velocidad. La clave de estas cámaras de burbuja es que la densidad del medio líquido es alta y por tanto suele haber mayor probabilidad de colisión. Durante los años 60, estas cámaras de burbujas fuerontan útiles para la física nuclear como lo son hoy en día los aceleradores de partículas.
La física detrás de las cámaras de burbuja
La leyenda explicaba que Donald Glaser tuvo la inspiración de las cámaras de burbuja en la cerveza, pero lo cierto es que el propio Premio Nobel de Física de 1960 desmintió durante una charla la historia, matizando eso sí que en algún puntollegó a utilizar cervezacomo líquido para calentar. El experimento no funcionó, puesnecesitaba un líquido con una baja tensión superficialpara que aparecieran las burbujas. Inicialmente se utilizaron tubos de ensaño, pero rápidamente fueron incrementando su tamaño y apostando por elementos como hidrógeno líquido.
Las partículas con carga eléctrica crean una pista de ionización. Alrededor de este paso, el líquido se vaporiza y forma pequeñas burbujas microscópicas. La idea es que la densidad de burbujas alrededor de cada trazado es proporcional a la pérdida de energía de la partícula. Un dato que nos servirá para conocer detalles sobre esta.
A esto debemos sumarle quetoda la cámara está sujeta a un campo magnético constante, que hace que las partículas cargadas viajen en una trayectoria helicoidal, cuyo radio viene determinado por la velocidad y la relación carga-masa. Es decir, en función de la curvatura que tengamos en la imagen podremos determinar las propiedades físicas de la partícula.
A medida que la cámara se expande, las burbujas aumentan de tamaño, lo que facilita su visión y la posibilidad de ser fotografiadas. Precisamente en la cámara de burbujas hay situadasuna serie de cámaras que permiten capturar una imagen tridimensional.
Entre los descubrimientos más importantes de las cámaras de burbuja encontramos desde lacorriente neutral débil con neutrinos,origen de la teoría de la fuerza nuclear débil y el descubrimiento de los bosones W y Z, hasta recientes experimentos en la búsqueda de partículas masivas de interacción débil, las llamadosWIMP.
BEBC y Gargamelle: las máquinas del CERN en los 70
Las primeras cámaras de burbuja eran muy pequeñas, pero al acercarse los años 80 empezaron a contener hasta 20 metros cúbicos de líquido.En todo el mundo se construyeron más de 100 de estas cámaras burbuja, donde pese a utilizar grandes imanes superconductores, su coste era varios órdenes de magnitud inferior al de los aceleradores de partículas.
Algunas de las cámaras más reconocidas son la delCERN de hidrógeno, con solo 30 centímetros; lacámara de Saclay, con 81 centímetros; la dedos metros del CERNy finalmente elBEBC (‘Big European Bubble Chamber’), construido a principios de los años 70, con un diámetro de 3,7 metros y siendo uno de los proyectos más importantes de la épocaen el campo de la física de altas energías.
El BEBC era unagran vasija de acero inoxidable, con 4 metros de altura y 35 metros cúbicos de líquido (hidrógeno, deuterio o una mezcla de neón e hidrógeno). Con un enorme pistón de dos toneladas se regulaba la sensibilidad. En 1973,tras instalar el imán superconductor más grande de la época (3,5 toneladas) se registraron las primeras imágenes. En1977, la cámara de burbujas fue expuesta a rayos de neutrinos con energías de hasta 450 GeV.
Otra de las cámaras de burbujas más importantes fueGargamelle, también construida en el CERN y orientada a detectar neutrinos. Con 4,8 metros de longitud y 2 metros de diámetro, era ligeramente más pequeño que el BEBC. En su interior se utilizaban 12 metros cúbicos de freón líquido pesado (CF3Br). Gracias a este experimento, entre 1972 y 1974 se obtuvieronevidencias de la existencia de los quarks, una de las partículas constituyentes de los protones y neutrones.
El más grande de todos se construyó en elFermilab(‘Fermi National Accelerator Laboratory’), en Illinois. Con unos 15 pies (unos 4,6 metros) de diámetro, está considerada la cámara de burbujas más grande de todos los tiempos, antes de dar paso a otro tipo de construcciones. En su momento,se consideró fabricar una cámara de 25 pies(unos 7,6 metros), pero debido, entre otros aspectos, a dudas técnicas con el neón que iban a utilizar no se llevó a cabo.
La construcción de estas cámaras de burbujas tuvo unaimportante repercusión en la reconstrucción del estudio de la física en Europadespués de la Segunda Guerra Mundial. Al contrario que en los años posteriores, donde el CERN se estableció en Ginebra y los proyectos ocupaban cada vez más, las cámaras de burbuja todavía podían ser fácilmente transportadas.
Lascámaras de burbujas se consideranuno de los ingredientes clave para el éxito del CERN. Fue esta simbiosis entre el CERN y la comunidad de laboratorios lo que impulsó la colaboración entre investigadores ysentó las bases de la cooperación internacionalque posteriormente ha sido uno de los pilares de proyectos como los grandes aceleradores de partículas.
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