El passat dia 13 de març els
alumnes de 1er i 2on de Batxillerat de l’optativa de Física de l’IES Dr.
Puigvert vam gaudir d’una activitat cultural que consistia en la visita al CosmoCaixa
amb motiu de l’exposició que oferia sobre el CERN i les bases i aplicacions de la ciència que allà
s’estudia.
L’exposició ens mostra un
prototipus de l’LHC (Large Hadron Collider o Gran Col·lisionador
d’Hadrons), informació audiovisual, la participació de les universitats
catalanes en aquest projecte i alguns dels experiments que s’hi han dut a
terme.
Va ser una visita guiada per dos
experts en el CERN els quals van tractar diversos temes.
En primer lloc ens van parlar
sobre la ciència en que esta basat l’LHC, la física de partícules.
Aquesta ciència és la encarregada de l’estudi dels components elementals de la
matèria i la seva interacció.
Per estudiar aquests components i
les seves interaccions son necessaris aparells que detectin i registrin les
reaccions que es donen en els diversos experiments. Per això l’LHC consta de 5 detectors de
partícules, ATLAS i CMS que son més grans i de propòsit general, i LHCb, ALICE
i TOTEM, més petits i especialitzats.
Com a resposta a la necessitat
d’emmagatzemar tota aquesta informació obtinguda, ha sigut necessari la creació
d’una xarxa de comunicacions que connecta diversos ordinadors separats físicament
(com una mena de segon Internet). Aquesta xarxa rep el nom de GRID.
Tot seguit ens van parlar de com
funciona el Gran Col·lisionador d’Hadrons. Aquest accelera protons, en sentits
oposats, a velocitats properes a la de la llum (300.000.000 m/s), fent-los
col·lisionar per estudiar la seva interacció.
Per a la realització d’aquests
experiments, es necessari disposar de la més avançada tecnologia. Per aquest
motiu els enginyers del CERN han desenvolupat una tecnologia que s’ha pogut
extrapolar a la vida quotidiana, potser el més conegut sigui la xarxa
informàtica mundial coneguda com world wide web.
A més també els resultats
obtinguts poden ser de gran utilitat per a diversos camps de la ciència, com
pot ser la medicina.
El museu també disposa d’altres
instal·lacions com el bosc inundat, el planetari o el toca toca! I una zona en
la que els visitants poden experimentar amb diverses curiositats físiques.
APLICACIONS DEL LHC
El LHC (sigles en anglès de Large Hadron
Collider') La seva finalitat és explorar i estendre la frontera del coneixement
de la física fent col·lisionar protons que circulen a velocitats properes a la
llum en sentits oposats al llarg d'un anell d'uns 27 quilòmetres de
circumferència. El conjunt de l'accelerador pel qual circulen els feixos de
protons està refredat a 271 graus Celsius sota zero per aconseguir que un
intens corrent elèctric circuli sense amb prou feines resistència pels imants
superconductors, creant un camp magnètic que corba les trajectòries dels
protons al llarg de l'anell.
Les seves aplicacions són:
·
El LHC han servit per millorar el
tractament de malalties com el càncer, una de les tècniques sorgides a partir
d'aquests instruments de recerca és la hadronterapia.
·
Aconseguir que els residus nuclears
siguin menys perillosos. Consistiria a bombardejar les deixalles nuclears amb
neutrons produïts en acceleradors. D'aquesta manera, es produirien versions més
lleugeres dels àtoms radioactius del combustible de les centrals nuclears, que
es degradarien al seu torn en materials relativament inofensius.
·
El LHC va a ser l'aplicació que més volum de
dades generi al món. Produirà 15 milions de gigaoctets de dades a l'any, que
hauran d'estar accessibles pels més de 5.000 científics i 500 centres de
recerca que participen en els experiments de l'accelerador.
·
Aconseguir que els residus nuclears siguin
menys perillós.. L'emmagatzematge dels residus nuclears és un dels principals
inconvenients de l'energia atòmica, però els físics que treballen amb
acceleradors han proposat una solució que reduiria la magnitud del problema.
Les futures aplicacions podrien ser:
·
Poder conèixer els instants posteriors
al 'Big Bang', la gran explosió que se suposa va crear l'univers fa uns 13.700
milions d'anys, malgrat que l'energia de cada protó accelerat no supera
l'energia cinètica en vol d'un mosquit.
·
Conèixer la raó per la qual les masses de les
partícules en la naturalesa són tan diverses és un dels objectius bàsics del
LHC.
FUNCIONAMENT
DEL LHC
El Gran
Col·lisionador d’Hadrons (en anglès LHC) és el major accelerador de
partícules i es troba en el CERN, situat a Ginebra. Serveix per fer xocar protos entre sí a una velocitat molt
pròxima a la de la llum i així poder recrear les condicions que es donaren
un instant després del Big Bang. L’accelerador està construït dins d’un túnel
de 27 km de circumferència i 8 km de
diàmetre excavat a més de 90 metres de la superfície.
El
primer pas en el funcionament del LHC és la producció de protons. Els protons s’obtenen en el Duoplasmatrón (cilindre de metall en el
qual s’injecta hidrogen, que sotmès a un camp elèctric, es separa en protons i
electrons). Aquest procés dóna lloc a un 70% de protons.
1. Els protons són injectats en
l’accelerador lineal (LINAC2) que
els accelera fins a 50 MeV.
2. Quan
surten del LINAC2 entren al primer accelerador circular, PS Booster, per sortir d’ ell amb 1,4 GeV.
3. El
feix passa al segon anell d’acceleració, el Sincrotró de Protons (PS), on és accelerat fins els 25 GeV.
4. A
continuació els feixos són enviats al Super
Sincrotró de Protons (SPS) on es prepara els protons per a la seva
acceleració fins els 450 GeV, en un procés que pot durar diversos mesos.
5. Finalment,
els protons són transferits al LHC
(en els dos sentits), on els feixos de protons són accelerats fins els 7 TeV.
Per controlar aquests feixos tant energètics, l’LHC utilitza uns 1.800 sistemes d’electroimants fets de material superconductor (niobi i titani), de forma que a baixes temperatures poden conduir l’electricitat sense resistència i crear així camps magnètics molt més forts que els electroimants ordinaris. A l’LHC, aquests imants funcionen a una temperatura de 1,9 K (–271 °C) i el camp magnètic generat és d’unes 8 tesles, mentre que els imants ordinaris aconsegueixen com a màxim un camp de 2 tesles.
El
tercer pas en el funcionament del LHC és la col·lisió.
· Els protons viatgen en grups (“bunches”)
de 7,48 cm de longitud i amb 1mm2 de
secció, quan estan lluny de zones d‘ intersecció, i són reagrupats en
“bunches” de 16 x 15 µm en les zones
d’ interacció, pròximes als detectors.
· Una vegada que els feixos de partícules
assoleixen la velocitat desitjada es sincronitzen per col·lisionar en un dels 4
detectors (ATLAS, CMS, ALICE i LHCb)
situats en quatre enormes cavernes subterrànies localitzades al voltant de l’
anell que posseeix el LHC, segons el tipus d’estudi que es requereixi. Amb ells
els físics esperen estudiar nous fenòmens relacionats amb la matèria,
l’energia, l’espai i el temps.
1. Què
és la física de partícules?
L’objectiu d’un físic de partícules
és trobar una teoria única que pugui descriure tots els successos i tota
l’evolució de l’Univers, “Theory of Everything”.
Aquesta ciència a partir de la
investigació de la radiació còsmica (radiació provinent majoritàriament
del Sol) i de la construcció d’acceleradors ha trobat més de 200 noves
partícules. Per posar ordre en el nombre de partícules diferents es va crear el
Model de Quarks.
2. Els
constituents de la matèria
Quan parlem dels constituents
elementals de la matèria ens referim a protons, neutrons, electrons i a les
seves “subpartícules”.
· Àtom: conjunt de nucli atòmic
(nucleons: protons i neutrons) i electrons orbitant al voltant del nucli en
camps.
· Nucleons:
formats per
quarks: protó: 2 quarks-up i 1 quark-down; neutró: 1 quark-up i 2
quarks-down.
· Electrons:
són partícules
subatòmiques pertanyents al grup dels leptons que no estan dividides en cap altre
partícula i per això s’anomenen partícules elementals. Els electrons intervenen
en les interaccions gravitatòria, electromagnètica i nuclear feble.
Els quarks units entre sí per
unes altres partícules sense massa ni càrrega però portadores de força,
anomenades gluons, són els constituents fonamentals dels protons i
neutrons. Els quarks-up tenen una càrrega de +2/3e i els quarks-down -1/3e.
Aquestes partícules són les úniques capaces d’interactuar amb els quatre tipus
de forces elementals (forces nuclears forta i feble i interacció
electromagnètica i gravitatòria).
S'estan construint 6 experiments per a ser utilitzats al gran col·lisionador d'hadrons (en anglès: Large Hadron Collider, LHC). Aquests són: ALICE, ATLAS, CMS, LHCb, LHCf i TOTEM.
A l'igual que el LHC, aquests estan situats sota terra, però en les
cavitats que hi ha als punts d'intersecció. Dos d'ells (ATLAS i CMS) són grans detectors de partícules amb objectius generals. Hi ha dos experiments de
talla mitjana (ALICE i LHCb) i els restants (LHCf i TOTEM) són menors i més especialitzats.
L’experiment ALICE (A Large Ion
Collider Experiment, «Experiment del Gran Col·lisionador de Ions») en el LHC es dedica a estudiar les
col·lisions de nuclis de plom a molt alta energia , per tant, la interacció
forta en condicions de densitat i energia extremes, sota les quals s’espera que
es formi un plasma de quarks i gluons similar al que es creu que existí en els
primers instants de l’univers. Aquestes col·lisions aconsegueixen escalfar la
matèria fins a unes 100.000 vegades la temperatura del centre del Sol. El
detector ALICE pesa unes 10.000 tones, té una altura de 16 metres i una
longitud de 26 metres. Està compost de 18 subdetectors diferents per seguir les
trajectòries i identificar les desenes de milers de partícules que es
produeixen en cadascuna de les 8.000 col·lisions d’ions pesats per segon.
El detector CMS (Compact Muon Solenoid, «Solenoid Compacte per a Muons») estudia, com el ATLAS, col·lisions de partícules
a energies extremes per explorar les lleis de la Naturalesa. El detector CMS té
15 metres de diàmetre, 25 metres de longitud i pesa 14.000 tones. És, juntament
amb el detector ATLAS, el detector més hermètic i versàtil. El seu disseny està optimitzat per a buscar noves partícules.
El Higgs, la partícula que requereix el Model Estàndard per tal d’entendre la
massa de les partícules, serà una de les més buscades. En cada col·lisió, es
produeixen centenars de noves partícules i les seves traces són mesurades amb
una precisió del grossor d'un cabell (0,01 mil·límetres).
El detector ATLAS (A large Toroidal LHC Apparatus,
«Gran Aparell Toroïdal del GCH») en el LHC és el de major volum mai construït per a la física de
partícules, amb 25 metres d'alt, 45 de longitud i un pes de 7.000 tones. En el
seu centre, les partícules col·lisionen a energies mai abans aconseguides fins
a 600 milions de vegades per segon. És un detector hermètic i versàtil i el seu
disseny també està optimitzat per a buscar noves partícules com el bosó de
Higgs, és a dir, fa les mateixes funcions i te unes característiques semblants
al CMS. L'estudi d'aquestes partícules proporciona una mirada a l'estat de
l'univers una milmilionèsima de segon després del Big Bang.
L'experiment LHCb (LHC beauty experiment, «Experiment de bellesa al GCH») investiga les petitíssimes diferències existents
entre matèria i antimatèria estudiant les desintegracions de partícules
formades pel quark b (beauty, bellesa en anglès) i la seva antipartícula (anti-quark
b), les vides mitjanes de la qual són molt curtes i que es produeixen en
enormes quantitats en el LHC. Mitjançant l’estudi d’aquestes partícules es
busca una explicació a per què tota l’antimatèria que hi havia en el moment del Big Bang ha desaparegut
en l’Univers actual, és a dir, una explicació a l’asimetria entre matèria i
antimatèria. Els detectors de LHCb es distribueixen un darrere l'altre al llarg
d'uns 20 metres de longitud, com a llibres en un prestatge.
El GRID
La
computació GRID és una tecnologia innovadora que permet utilitzar de forma
coordinada tot tipus de recursos (entre ells còmput, emmagatzematge i
aplicacions específiques) que no estan subjectes a un control centralitzat.
És una nova
forma de computació distribuïda, en la qual els recursos poden ser heterogenis
i es troben connectats mitjançant xarxes d'àrea extensa (Internet).
El terme
GRID es refereix a una infraestructura que permet la integració i l'ús
col·lectiu d'ordinadors d'alt rendiment, xarxes i bases de dades que són
propietat i estan administrats per diferents institucions
El propòsit
del GRID és facilitar la integració de recursos computacionals.
Història
Amb el pas
del temps, el desenvolupament del maquinari va portar a la millora i
abaratiment donant pas a tecnologies que abans era impensable emprar, a causa
de costos o el baix rendiment que oferien, com l'eren els clusters.
Els
clusters van sorgir com una nova alternativa molt recomanable en el camp de la
computació, tant paral·lela com distribuïda.
El seu
principal avantatge és la millor relació de cost a rendiment, no obstant això
la gran demanda tant de computació com d'espai i gestió d'emmagatzematge
requerits per un gran nombre d'aplicacions que gestionen grans quantitats de
dades i han de fer-ho de forma eficient i senzilla, exigeix l'ús de noves
tecnologies, com és el cas de la computació GRID.
Què
és el GRID?
El GRID és el
sistema de computació distribuït que permet compartir recursos no centrats
geogràficament per resoldre problemes de gran escala. Els recursos compartits
poden ser ordinadors (PC, estacions de treball, PDA, portàtils, mòbils, etc),
programari, dades i informació, instruments especials (ràdio, telescopis, etc.)
o persones. La potència que ofereixen multitud de computadors connectats en
xarxa usant GRID és pràcticament il·limitada, a més de que ofereix una perfecta
integració de sistemes i dispositius heterogenis, per la qual cosa les
connexions entre diferents màquines no generaran cap problema. Es tracta d'una
solució altament potent i flexible, ja que evitaran problemes de falta de
recursos i mai queda obsoleta, a causa
de la possibilitat de modificar el nombre i característiques dels seus
components. El seu objectiu és el de compartir una sèrie de recursos a la xarxa
de manera uniforme, segura, transparent, eficient i fiable, oferint un únic
punt d'accés a un conjunt de recursos distribuïts geogràficament en diferents
dominis d'administració. Això ens pot portar que la computació Grid permet la
creació d'empreses virtuals.
- El GRID suposa un avanç respecte a la
World Wide Web.
- El World Wide Web proporciona un accés
transparent a informació que està emmagatzemada en milions d'ordinadors
repartits per tot el món.
- El GRID és una infraestructura nova que
proporciona accés transparent a potència de càlcul i capacitat d'emmagatzematge
distribuïda per una organització o per tot el món.
Els requisits que ha de complir
qualsevol GRID són:
- Les dades han de compartir-se entre
milers d'usuaris amb interessos diferents.
- S'ha d'assegurar que les dades siguin
accessibles en qualsevol lloc i en qualsevol moment.
- Ha d'harmonitzar les diferents
polítiques de gestió de molts centres diferents.
- Ha de proporcionar seguretat i els
beneficis que s'obtenen: Proporciona un mecanisme de col·laboració transparent
entre grups dispersos, tant científics com a comercials.
- La tecnologia derivada del GRID, obre un
enorme ventall de possibilitats per al desenvolupament d'aplicacions en molts
sectors.
Inconvenients
- Recursos
heterogenis: la computació GRID ha de ser capaç de poder manejar qualsevol
tipus de recurs que manegi el sistema, si no resultarà totalment inútil.
- Descobriment,
selecció, reserva, assignació, gestió i monitoratge de recursos són processos
que han de controlar-se externament i que influeixen en el funcionament del
GRID.
- Necessitat
de desenvolupament d'aplicacions per manejar el GRID, així com desenvolupament
de models eficients d'ús.
- Comunicació lenta i no uniforme.
- Organitzatius:
dominis d'administració, model d'explotació i costos, política de seguretat...
- Econòmics: preu dels recursos, ofereix/demanda
Sergi Villanueva i Adrián Sadornil
Sergi Villanueva i Adrián Sadornil
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada