Aunque algunas de ellas, las más antiguas, tienen más de un milenio y medio, las catedrales continúan siendo unos edificios asombrosos y sobrecogedores. De hecho, resulta sorprendente que el ser humano haya sido capaz de erigir estas obras arquitectónicas en muchos casos con unos medios extraordinariamente rudimentarios. Hoy es difícil encontrar una obra de similar envergadura si nos ceñimos exclusivamente a la arquitectura, aunque quizá algunos rascacielos u otros edificios modernos especialmente ambiciosos encajan en la idea de "obra arquitectónica faraónica".
Sin embargo, si desviamos nuestra mirada más allá de la arquitectura, hacia la ciencia, no nos costará encontrar obras de ingeniería contemporáneas que rivalizan sin miramientos por su complejidad y ambición con las grandes catedrales de la antigüedad. En este artículo os proponemos indagar en cuatro de estas maravillosas máquinas con el propósito no solo de conocer cuál es su finalidad, sino también qué pueden aportar al desarrollo de la ciencia de vanguardia y cómo pueden enriquecer nuestro conocimiento. Ahí va un pequeño anticipo: todas ellas son sobrecogedoras.
ATLAS: el titánico experimento del CERN
ATLAS es el mayor detector construido hasta la fecha para trabajar codo con codo con un colisionador de partículas. Tiene nada menos que 46 metros de longitud y 25 metros de diámetro. Y a él le debemos algunos de los hallazgos más importantes del LHC (Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones), que es el acelerador de partículas al que está vinculado dentro de las instalaciones del CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire u Organización Europea para la Investigación Nuclear).
El propósito de ATLAS es ayudarnos a entender cuáles son los elementos constituyentes de la materia, qué es la materia oscura y qué son las fuerzas fundamentales de la naturaleza
El propósito de este experimento, si nos ceñimos a lo que nos dicen los científicos que lo han diseñado, es ayudarnos a entender mejor cuáles son los elementos constituyentes de la materia, qué es la materia oscura y qué son las fuerzas fundamentales de la naturaleza, entre otras preguntas esenciales.
Precisamente hace apenas cinco meses los físicos y los ingenieros que trabajan en ATLAS lograron entregarnos nuevo conocimiento acerca de la interacción nuclear fuerte. Hay una razón contundente por la que este hito es muy importante: hasta ahora esta interacción fundamental es la que se había medido con menos precisión de las cuatro. Y por fin se ha podido caracterizar mejor.
ITER: el mayor y más avanzado reactor experimental de fusión nuclear está en camino
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es uno de los proyectos más ambiciosos y complejos a los que se está enfrentando la humanidad. Su propósito es imitar los procesos que permiten obtener energía a las estrellas mediante la fusión de los núcleos de su combustible, que está constituido aproximadamente por un 70% de protio, que es el isótopo del hidrógeno que carece de neutrones, y que, por tanto, tiene solo un protón y un electrón; entre un 24 y un 26% de helio, y entre un 4 y un 6% de elementos químicos más pesados que el helio.
ITER producirá 500 megavatios de potencia durante no menos de 500 segundos utilizando solo 1 gramo de tritio como parte del combustible
El problema es que imitar los procesos de fusión nuclear que tienen lugar de forma natural en el núcleo de las estrellas no es nada fácil. Y no lo es, entre muchas otras razones, porque no contamos con un aliado muy valioso que se lo pone mucho más fácil a las estrellas: el confinamiento gravitatorio. Y es que su masa es tan enorme que la gravedad consigue comprimir los gases del núcleo estelar lo necesario para recrear de forma natural las condiciones en las que los núcleos de hidrógeno comienzan a fusionarse espontáneamente. Así obtienen su energía las estrellas.
El reactor de fusión nuclear ITER ha sido diseñado para demostrar que la fusión nuclear a la escala que el hombre puede manejar funciona. Y también que es rentable desde un punto de vista energético debido a que genera más energía de la que es necesario invertir para iniciar el proceso. Su objetivo es producir alrededor de 500 megavatios de potencia durante no menos de 500 segundos utilizando solo 1 gramo de tritio como parte del combustible y después de invertir unos 50 megavatios de energía en la ignición del reactor de fusión.
La máquina que un consorcio internacional está poniendo a punto en la localidad francesa de Cadarache es extraordinariamente compleja. De hecho, probablemente solo los detectores de partículas del CERN rivalizan por la complejidad de su ingeniería con ITER. Un proyecto de esta envergadura solo es posible reuniendo los recursos de las principales potencias del planeta, lo que ha llevado a China, Japón, Rusia, la Unión Europea, Estados Unidos, India y Corea del Sur a unirse para llevar a buen puerto esta asombrosa máquina.
LIGO: un prodigio de la ingeniería que es capaz de identificar ondas gravitacionales
La observación directa de las primeras ondas gravitacionales que el ser humano ha sido capaz de identificar hace ya algo más de ocho años es sin duda lo mejor que le ha pasado a la cosmología reciente. Estas perturbaciones gravitatorias generadas por los objetos masivos que están sometidos a una cierta aceleración se propagan a través del continuo espacio-tiempo a la velocidad de la luz bajo la forma de unas ondas, que, en determinadas condiciones, los científicos son capaces de detectar.
La sensibilidad de los interferómetros requiere que las ondas gravitacionales hayan sido originadas por eventos de una gran magnitud, como la colisión de dos agujeros negros
Durante los últimos ocho años las ondas gravitatorias, como también se las conoce, nos han demostrado que son una herramienta muy valiosa que puede ayudarnos a conocer mejor la historia del universo. Y lo son debido a que transportan información acerca del evento cósmico que las originó. La sensibilidad de los interferómetros que utilizamos actualmente para identificarlas requiere que estas perturbaciones hayan sido originadas por eventos de una gran magnitud, como, por ejemplo, la colisión de dos agujeros negros.
De hecho, a finales de junio de 2021 los grupos de investigación que se encargan del análisis de los datos recogidos por los interferómetros LIGO, en Estados Unidos, y Virgo, en Italia, aseguraron tener razones muy sólidas para sospechar que sus experimentos habían identificado las ondas gravitacionales producidas por la fusión de dos sistemas binarios constituidos por un agujero negro y una estrella de neutrones. Este es el tipo de cataclismos cósmicos que actualmente podemos identificar a través de las perturbaciones que introducen en el tejido del espacio-tiempo.
Al igual que las demás obras de ingeniería que recogemos en este artículo, LIGO es una máquina extraordinariamente compleja. Dos, en realidad. Uno de los observatorios de ondas gravitacionales está alojado en Hanford Site (Washington), y el otro en Livingston (Luisiana), ambos en EEUU. El interferómetro láser de Livingston está constituido por dos brazos perpendiculares con una longitud de 4 km cuyo interior está sometido a condiciones de vacío. La detección de las ondas gravitacionales se efectúa gracias a la identificación del ínfimo movimiento de los espejos alojados en ambos brazos. El observatorio de Hanford funciona esencialmente de la misma forma, pero sus brazos perpendiculares miden 2 km, por lo que su sensibilidad es inferior.
Super-Kamiokande: esta infraestructura colosal nos ayuda a desvelar los misterios de los neutrinos
Super-K, que es como se conoce habitualmente al Super-Kamiokande japonés, es una auténtica mole. Este observatorio está situado en Hida, una ciudad ubicada en el área central de Honshu, la mayor isla del archipiélago japonés. Está construido en una mina, a 1 km de profundidad, y mide 40 metros de alto y otros 40 metros de ancho, lo que le da un volumen parecido al de un edificio de quince pisos.
En su interior se acumulan nada menos que 50.000 toneladas de agua con una pureza extrema rodeadas por 11.000 tubos fotomultiplicadores, que, sin entrar en detalles complejos, son los sensores que nos permiten «ver» los neutrinos. Lo que realmente somos capaces de observar es la radiación Cherenkov que generan los neutrinos al pasar por el agua.
El Super-Kamiokande japonés está construido en una mina, a 1 km de profundidad, y mide 40 metros de alto y otros 40 metros de ancho
En agosto de 2020 los científicos que trabajan en el interior de Super-K descubrieron que utilizando un agua un poco menos pura podían observar neutrinos que habían recorrido una distancia mayor, y que, por tanto, procedían de supernovas más antiguas. La "impureza" que añadieron al agua es el gadolinio, un elemento químico que pertenece al grupo de las tierras raras, y que, si se incorpora en la proporción adecuada, incrementa de una forma importante la sensibilidad del detector.
Su estrategia consistió en añadir al agua del Super-K 13 toneladas de un compuesto de gadolinio, por lo que la concentración total de este elemento es del 0,01%. Justo la necesaria, según estos técnicos, para amplificar la señal de los neutrinos más débiles y poder observarlos. Este esfuerzo está justificado por la importancia de los neutrinos como una herramienta esencial que puede proporcionarnos mucha información acerca de las supernovas, que son esas explosiones tan violentas que se producen en aquellas estrellas que en un momento dado son incapaces de soportar la presión de degeneración de los electrones, entre otros posibles orígenes. Este conocimiento es vital para entender mejor cuál es la estructura del Universo.
Imágenes: CERN | ITER | Umptanum | Universidad de Tokio
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