Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 101, Nº. 1, pp 183-201, 2007VII Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

EL CERN1

MANUEL AGUILAR BENÍTEZ DE LUGO *

* Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Director del Departamento de Investigación Básica del CIEMAT. Vice-Presidente del Consejo del CERN. manuel.aguilar@ciemat.es

“The age which we live is the age in which we arediscovering the fundamental laws of Nature and that day

will never come again”

Richard Feynman

RESUMEN

El CERN (Centro Europeo de InvestigaciónNuclear o Laboratorio Europeo de Física de PartículasElementales), organización para la investigación enFísica de Partículas Elementales, o Física de AltasEnergías, constituye el primer y paradigmáticoejemplo de colaboración europea a gran escala y haestablecido el modelo para la creación de nuevas orga-nizaciones multinacionales europeas dedicadas a lainvestigación (ESA, ESO, EMBL, ESRF). El CERNconstituye la referencia más importante a escalamundial en el ámbito de la investigación básica, deldesarrollo y la innovación tecnológica, de la educacióny formación académica, y de la cooperación interna-cional. En estas cuatro vertientes el CERN se ha con-sagrado como un formidable centro de excelencia y suespíritu ha trascendido más allá de sus objetivos estric-tamente científicos.

En este trabajo se hace una breve descripción delCERN y se dan algunos datos de interés para, a conti-nuación, presentar una sucinta relación de los hitosmás relevantes en la historia de la Organización. En losrecuadros se da una descripción más ampliada de unaselección de las aportaciones científicas más sobre-salientes y un resumen de la participación española enlos programas actuales del laboratorio. En otrosapartados se señala el papel desarrollado por el CERN

en el campo de la innovación y el desarrollo tec-nológico, la formación científica y técnica y la coope-ración internacional. El trabajo se completa con uncomentario sobre las relaciones entre España y elCERN y unas breves consideraciones finales.

INTRODUCCIÓN

El CERN (Centro Europeo de InvestigaciónNuclear o Laboratorio Europeo de Física de PartículasElementales), con sede en Ginebra (Suiza), es en laactualidad el laboratorio de investigación básica másimportante del mundo. En él trabajan más de la mitaddel total de investigadores que desarrollan una activi-dad científica en la disciplina de la física de partículaselementales o física de altas energías. El CERN es unaorganización internacional e intergubernamental for-mada por veinte estados miembros: Alemania, Austria,Bélgica, Bulgaria, República Checa, Dinamarca,Eslovaquia, España, Finlandia, Francia, Grecia,Holanda, Hungría, Italia, Noruega, Polonia, Portugal,Reino Unido, Suecia y Suiza. India, Israel, Japón, laFederación Rusa, los Estados Unidos de América,Turquía, la Comisión Europea y la UNESCO tienen elstatus de observadores. Los laboratorios e instala-ciones del CERN ocupan una superficie de aproxi-madamente 600 hectáreas en la región fronteriza fran-co-suiza próxima a Ginebra.

A finales del 2006 la plantilla del CERN estába for-mada por 2645 personas (76 físicos investigadores,980 ingenieros y científicos aplicados, 1124 técnicos y

1 Este trabajo fue preparado con ocasión del 50 Aniversario de la creación del CERN en 1954 y se ha publicado en la Revista Española deFísica, Volumen 18, Número 4, 2004, págs, 3-15. Para esta publicación se han actualizado los datos sobre el CERN.

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465 administrativos). El hecho de que sólo una frac-ción reducida de la plantilla sean físicos investi-gadores se debe a que la misión fundamental del labo-ratorio es la construcción, operación y mantenimientode grandes infraestructuras. Con el paso de los añosuna parte importante de la construcción y realizaciónde los experimentos se ha trasladado a los equipos deinvestigación de los centros que participan en los pro-gramas científicos. Este progresivo mayor protagonis-mo de los usuarios externos, unido a una crecienteexternalización de servicios, explica la evolución de laplantilla del CERN y su reducción en cerca de milefectivos en los últimos 12 años.

Un 3.8% de la plantilla, 101 personas, tienenacionalidad española. Hay un total de 269 becarios,444 investigadores asociados y 168 estudiantes. Un8.7 % de este colectivo, 77 personas, es español. Elnúmero de usuarios, básicamente físicos e ingenierosde los centros de investigación que participan en losprogramas del CERN, alcanza la cifra de 7494, 4976procedentes de estados miembros y 2518 de estadosno miembros. La presencia española en la categoría deusuarios es de un 3.0% del total, 235 personas (4.7% sise normaliza a los estados miembros).

El presupuesto de gastos para el año 2007 alcanzala cifra de 981.6 MCHF, 505.2 MCHF en el capítulode personal y 443.6 MCHF en el capítulo de inver-siones y gastos corrientes. El presupuesto de ingresoses de 1086.7 MCHF de los que 1026.3 MCHF corres-ponden a las cuotas de los estados miembros. La cuotade España representa el 8.16 %, unos 52.5 M€.

La creación del CERN a principios de los años 50significa un hito extraordinario en el largo proceso dela reconstrucción europea, tras una Segunda GuerraMundial que forzó la emigración de un número impor-tante de prestigiosos investigadores perturbando deforma muy significativa la comunidad europea quetrabajaba en física nuclear. Hasta casi finales de losaños 30, Europa había liderado la revolución científicadel siglo XX. En particular, en el campo de la física,había protagonizado de manera indiscutible el procesode construcción de los dos grandes pilares sobre losque se sustenta la física moderna: la Teoría de laRelatividad y la Mecánica Cuántica.

A finales de los años 40 la percepción de la diezma-da comunidad de físicos nucleares europeos era que

una investigación en el campo de la física nuclear ysubnuclear, competitiva con la que empezaba a con-solidarse en Estados Unidos, necesitaba la construc-ción de aceleradores de partículas de tamaño, comple-jidad y costes no abordables por los países de nuestrocontinente de forma unilateral. El mensaje de Louis deBroglie en la Conferencia Europea de la Cultura, cele-brada en Lausana en 1949, se considera el punto dearranque del CERN. En diciembre de 1951 laUNESCO auspicia una reunión intergubernamentalcon el objetivo de estudiar la viabilidad de construir unlaboratorio europeo para la investigación en físicanuclear. El 15 de febrero de 1952 once países firman elacuerdo por el que se establece el CERN, ConseilEuropéen pour la Recherche Nucléaire, y en octubrede ese mismo año el constituido Consejo del CERNdesigna a Ginebra como sede del nuevo laboratorioeuropeo. El 1 de julio de 1953 doce países (Bélgica,Dinamarca, Francia, República Federal de Alemania,Grecia, Italia, Holanda, Noruega, Suecia, Suiza,Yugoslavia y Reino Unido) firman en París la conven-ción que establece la creación del CERN, cuya entradaen vigor tiene lugar el 29 de septiembre de 1954. Enmayo de ese mismo año se inician los trabajos previosde construcción del laboratorio en terrenos de Meyrin,en la zona fronteriza franco-suiza próxima a Ginebra.

El 1 de enero de 1961 España ingresaba en elCERN. Ocho años más tarde abandonaba la Organiza-ción, alegando razones financieras, a la que retornaríaen 1983.

Es importante señalar que, transcurridos cincuentaaños desde su creación en 1954, el CERN se ha con-vertido en el primer centro de investigación a escalamundial en este campo de la ciencia básica. El caminorecorrido, no exento de tensiones y situaciones difí-ciles, es una demostración de hasta dónde puede llegarEuropa cuando se definen objetivos ambiciosos y seacuerdan las estrategias y los recursos para llevarlos acabo. El ejemplo del CERN, como elemento de cohe-sión que trasciende a las políticas nacionales, deberíafertilizar en otros campos de la ciencia y la tecnologíay contribuir a que Europa se transforme en la primeraeconomía mundial basada en el conocimiento.

En sucesivos apartados se presenta un breveresumen de los hitos más destacables logrados por elCERN en el área de la investigación básica y algunas

consideraciones relacionadas con la innovación y eldesarrollo tecnológico, la formación académica y lacooperación internacional, sectores en los que elCERN ha desempeñado un papel sobresaliente.

INVESTIGACIÓN BÁSICA EN EL CERN

El CERN es fundamentalmente un conjunto inter-conectado de aceleradores de partículas cuyo primerelemento, el Sincro-Ciclotrón de protones de 600 MeV(SC o Synchro-Cyclotron), se empieza a construir amediados de 1955 y cuyo eslabón final y más espec-tacular, el Large Hadron Collider (LHC), entrará enfuncionamiento a mediados del año 2008. En las figu-ras 1 y 2 se muestran una vista aérea del CERN y unesquema de los distintos aceleradores.

Aunque los caminos por los que se producenavances en una disciplina científica son, con frecuen-cia, misteriosos, en Física de Altas Energías gran partede los descubrimientos más notables han ido asociadoscon la puesta en marcha de nuevas instalaciones cientí-ficas que han permitido estudiar regiones de energíainexploradas con instrumentación novedosa. En estesentido el CERN no constituye una singularidad y, porejemplo, la excepcional contribución del CERN a lacomprensión profunda de las interacciones electrodé-biles es, en gran medida, consecuencia de la inno-vación tecnológica en el campo de la instrumentacióncientífica.

La construcción de grandes cámaras de burbujas(GARGAMELLE), y de haces intensos de neutrinos,fue capital para el descubrimiento de las corrientesneutras; la invención del enfriamiento estocástico y lareconversión de un acelerador de blanco fijo, el SuperProton Synchrotron (SPS), en un colisionador de pro-tones y antiprotones (SPPS), y la construcción degrandes y herméticos sistemas de detección (UA1,UA2), hizo posible el descubrimiento de los bosonesvectoriales Z0 y W± ; la construcción del colisionadorde electrones y positrones de 27 km de circunferenciaLEP (Large Electron Positron machine), y de disposi-tivos experimentales tecnológicamente perfeccionadosy complementarios (ALEPH, DELPHI, L3, OPAL),está en la raíz de la determinación del número total deconstituyentes básicos y la validación de la estructuramecano-cuántica del Modelo Estándar de Partículas eInteracciones o Teoría de la Materia, que engloba laTeoría Electrodébil de Glashow, Weinberg, Salam,Veltman y ‘t Hooft y la Cromodinámica Cuántica deGross, Wilczek y Politzer.

En 1957 el SC inicia su operación. Uno de losprimeros resultados experimentales es el descubri-miento de la desintegración del pión en un electrón yun neutrino. La medida de la frecuencia de desinte-gración tiene gran relevancia para validar la idea deuniversalidad leptónica. En 1959 el PS entra en fun-

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Figura 1. Vista aérea del CERN.

Figura 2. Esquema de la red de aceleradores del CERN.

cionamiento acelerando poco después protones a 28GeV, convirtiéndose en el acelerador de mayor energíaen el mundo y siendo el primero que se fundamenta enel principio de focalización fuerte. Con el PS se iniciaun programa experimental con haces de neutrinos, uncampo en el que el CERN tendría años más tardeexcepcional protagonismo. Hacia 1963 se toman lasprimeras fotos de interacciones neutrino-materia encámaras de burbujas y Simon van der Meer desarrollael denominado “cuerno de neutrinos” (neutrino horn),el ingrediente instrumental que hace posible la obten-ción de haces de neutrinos intensos y focalizados.

En 1965 se firma el acuerdo para la extensión dellaboratorio en la zona francesa y se aprueba la cons-trucción de los Intersecting Storage Rings (ISR),primer colisionador hadrónico (protón-protón) de altaenergía. Con los sistemas de detección ubicados en lasáreas experimentales de los ISR se descubriría en 1973que el tamaño del protón se incrementa con la energía,al tiempo que se pondría experimentalmente de mani-fiesto la naturaleza ondulatoria del protón. A nivel defísica de aceleradores, Simon van der Meer aprovechael carácter único de esta instalación para validar expe-rimentalmente el concepto del enfriamiento estocásti-co de protones, que sería utilizado años más tarde parala fabricación de haces intensos monoenergéticos deantiprotones, una de las claves del descubrimiento delas partículas Z0 y W±.

En 1967 el CERN pone en marcha lo que hoy endía es la instalación más sofisticada para el estudio denúcleos de corta vida media, ISOLDE (IsotopeSeparator On-line). Ese mismo año se firma el acuerdopara la construcción de una cámara de burbujas dehidrógeno de 3.7 m de diámetro, equipada con el ma-yor imán superconductor del mundo. Con ese detectorse acumularían durante los años 1973-1984 impor-tantes muestras de interacciones neutrino —materiaque permitirían obtener resultados de gran relevanciasobre la estructura íntima —funciones de estructura—de los nucleones (protón y neutrón).

En 1968 Georges Charpak inventa las cámaras pro-porcionales multihilos, un hito en el campo de losdetectores electrónicos de partículas. Todos los experi-mentos electrónicos relevantes realizados desde suinvención han utilizado instrumentación basada en lasideas propuestas por Charpak. En reconocimiento de la

relevancia de sus trabajos en el campo de la instru-mentación científica, Georges Charpak es galardonadocon el Premio Nobel de Física en 1992.

En 1971 se toma una decisión histórica y trascen-dental para el futuro del CERN: construir un segundolaboratorio en terrenos franceses colindantes y seaprueba la construcción del SPS, un super-sincrotrónde protones ubicado en un túnel subterráneo de 6 kmde circunferencia que llegaría a acelerar protones hasta500 GeV.

En 1973 se obtiene en la cámara de burbujasGARGAMELLE la primera evidencia experimental dela existencia de una nueva forma de interacción neutri-no-materia, en la que el neutrino no se transmuta en unleptón cargado, por ejemplo un muón. El descubri-miento de las corrientes neutras, responsables de lasinteracciones observadas, abre las puertas a lo que sellamó entonces “Nueva Física” (denominación queahora tiene un significado bien distinto) y que respal-daba una teoría que trataba de unificar la descripciónde la fuerza débil, responsable de los fenómenos radi-activos, con la fuerza electromagnética.

En 1981 se realiza la conversión del SPS en un coli-sionador protón-antiprotón de alta energía, el SPPS, yse inicia la construcción de los experimentos UA1 yUA2. Ese mismo año, el Consejo del CERN aprueba laconstrucción del colisionador electrón-positrón LEPque, con una circunferencia de 27 km, se convertiría enel mayor instrumento científico jamás construido.

En 1983 se descubren los bosones vectoriales Z0 yW±, agentes propagadores de la interacción electrodé-bil. Este descubrimiento supone la confirmación delModelo Estándar de las interacciones electrodébiles yla unificación de las fuerzas electromagnética y débil ycatapulta al CERN al primer puesto de los Labora-torios de Física de Altas Energías. En reconocimientode la relevancia de sus trabajos Carlo Rubbia y Simonvan der Meer son galardonados con el Premio Nobelde Física en 1984.

En 1989 se inicia el funcionamiento de LEP. Lamedida extraordinariamente precisa de las propiedadesde desintegración del bosón Z0 permite establecer conexactitud que los constituyentes fundamentales de lamateria se agrupan en sólo tres familias de partículas,

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cada una formada por dos quarks, un neutrino y un lep-tón cargado. Con los datos obtenidos, 18 millones deZ0, se valida la naturaleza mecano-cuántica de la teoríaelectrodébil, se predice correctamente la masa delquark top, descubierto años más tarde en FERMILAB,y se acota la masa del bosón de Higgs, responsable delmecanismo más sencillo para explicar la diferencia demasas entre el fotón, el Z0 y los W±, fenómeno conoci-do como rotura de la simetría electrodébil.

A finales de 1994 el Consejo del CERN aprueba laconstrucción del LHC, un acelerador protón-protón demuy alta energía (14 TeV) y luminosidad (1034 cm−2

s−1) y con la posibilidad igualmente de producir coli-siones entre iones pesados. Este acelerador permitirádescifrar importantes cuestiones pendientes (mecanis-mo de Higgs, partículas super simétricas, dimensionesextra, violación de la simetría CP, plasma de quarks ygluones, etc). Esta nueva gran instalación científica,que se está instalando en el túnel que albergó LEP,entrará en funcionamiento a mediados de 2008. Cuatroexperimentos de gran envergadura (ATLAS, CMS,LHCb, ALICE) se están ensamblando para estudiar lasinteracciones que producirán los haces del LHC.

En 1999 el CERN presenta una respuesta precisa auno de los misterios más sutiles de la naturaleza, laviolación directa de la simetría CP, un efecto que reve-la la preferencia de la naturaleza por la materia endetrimento de la antimateria y que explica nuestrapropia existencia.

En 1999 el CERN acuerda con el INFN italiano laconstrucción en el CERN de un haz de neutrinos que,recorriendo una distancia de 730 km por debajo de lasuperficie terrestre, se dirigirá hacia el LaboratorioNacional del Gran Sasso (LNGS), donde se estudiaránlas interacciones neutrino-materia. Esta nueva insta-lación (CNGS, CERN Neutrinos to Gran Sasso) entraen funcionamiento en el año 2006 y será un instrumen-to complementario a los haces naturales de neutrinossolares y atmosféricos, para el estudio de las propie-dades de los neutrinos.

En el año 2000 el CERN pone en marcha una nove-dosa y única fábrica de producción de antimateria, elAntiproton Deccelerator (AD), que permitirá una com-paración exhaustiva de las propiedades de la materia yantimateria. Experimentos operando en esta insta-

lación producen en el año 2002 las primeras muestrasde antihidrógeno, millares de antiátomos fríos, y abrennuevas perspectivas en un campo fascinante.

En la actualidad, gran parte de la actividad experi-mental que se realiza en el CERN está concentrada enla construcción de los experimentos para el LHC(ATLAS, CMS, LHCb y ALICE). Se mantiene un pro-grama residual en el PS y SPS con los experimentosDIRAC (medida de la vida media de átomos π+ π−, K±

π± y test de predicciones QCD a bajas energías),COMPASS (medida de funciones de estructura depen-dientes de espín y espectroscopía del quark c), NA48(estudio de desintegraciones raras de mesones K) yNA60 (estudio de colisiones de iones ultrarrelativistasy búsqueda de transiciones de fase).

Tres instalaciones de carácter general alberganexperimentos de tamaño más reducido. En el AD losexperimentos ATHENA, ATRAP y ASACUSA utilizanla producción de antiátomos de hidrógeno paraestablecer comparaciones precisas entre materia yantimateria. El experimento ACE estudia los efectosde la irradiación con haces de antiprotones sobre teji-dos animales. En el separador de iones ISOLDE hay40 experimentos en fase de toma de datos y unos 20 enpreparación. En el haz de neutrones pulsados n-TOF,producidos en la espalación de un haz de protones de24 GeV del PS, se desarrolla un amplio programa demedida de secciones eficaces nucleares inducidas porneutrones con energías en el intervalo 1 eV −250 MeVcon gran interés en física nuclear, astrofísica nuclear,medicina nuclear y dosimetría, e incineración de resi-duos nucleares en ADSs (Accelerator DrivenSystems). Finalmente hay un único experimento queno utiliza haces artificiales, CAST, destinado a labúsqueda de axiones solares.

El programa experimental del CERN proporcionaun cierto apoyo a una serie de experimentos que demanera genérica estudian la radiación cósmica. Estosexperimentos en los que el CERN no participa, se cata-logan como “reconocidos”, utilizan servicios,infraestructuras y ayuda logística del laboratorio. Eltelescopio de neutrinos ANTARES, el espectrómetroAMS para la Estación Espacial Internacional para elestudio de materia, antimateria y materia oscura, elproyecto AUGER para la medida de rayos cósmicos demuy alta energía, son algunos ejemplos dignos demención.

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Con el LHC, el CERN se asegura el liderazgomundial en el campo de la Física de Partículas duranteel primer cuarto del siglo XXI. Con la firme determi-nación de mantener esta posición de privilegio, elCERN ha lanzado, en colaboración con diversos cen-tros de investigación, mayoritariamente europeos, pro-gramas de I+D para el desarrollo de futuros grandesaceleradores de electrones y positrones de muy altaenergía (CLIC) y haces intensos de protones y de neu-trinos.

INNOVACIÓN Y DESARROLLOTECNOLÓGICO EN EL CERN

El estudio de las propiedades de los constituyentesúltimos de la materia y de las fuerzas fundamentales,ha exigido la construcción de grandes instalacionescientíficas (aceleradores, detectores) cuya complejidadha crecido de forma muy significativa. La ejecución deestos proyectos ha necesitado el desarrollo de múlti-ples tecnologías (superconductividad, criogenia, altovacío, imanes, nuevos materiales, electrónica depotencia, ingeniería civil, microelectrónica, com-putación, telecomunicaciones, teleproceso, mecánicade precisión, instrumentación, etc) que tienen apli-cación directa en otros campos de la ciencia y cuyoimpacto en la sociedad es incuestionable.

El ejemplo paradigmático son los propios acelera-dores de partículas, concebidos inicialmente para estu-dios de la materia nuclear y subnuclear y que, en laactualidad, se utilizan en numerosos campos, especial-mente en el estudio no destructivo de nuevos materia-les y en diagnóstico y terapias médicas. Sólo unapequeña fracción del parque de aceleradores en fun-cionamiento (alrededor de 15 000) se utiliza parainvestigación fundamental (alrededor de 100). Esindudable que una de las formas más eficaces de avan-zar en Ciencia es a través de la investigación no orien-tada específicamente hacia aplicaciones directas. Eneste sentido la investigación básica presenta un ba-lance de resultados excelente. La informática y loscomputadores, la criptografía moderna, el posi-cionamiento geográfico por satélite, los haces departículas, la digitalización de imágenes médicas, lasuperconductividad, los radioisótopos, la luz sin-crotrón y las fuentes de neutrones son algunos ejem-plos de estos beneficiosos efectos colaterales.

El CERN ha jugado un papel de primerísimo nivelen el desarrollo de tecnologías de uso extendido encampos no afines a la naturaleza de su propia investi-gación. El ejemplo mejor conocido es, probablemente,la invención del world wide web (www), que ha revo-lucionado los mecanismos de acceso y transmisión deinformación residente en lugares geográficamente dis-persos y que ha tenido un impacto sociológico extraor-dinario. La potencialidad de la computación distribui-da, con grandes volúmenes de datos localizados en loscinco continentes, utilizando tecnologías GRID, asemejanza de lo que ocurre con las redes de distribu-ción de energía eléctrica, será validada en el CERN enel contexto de la computación científica del ProyectoLHC.

De relevancia similar es el desarrollo de detectoresgaseosos para numerosas aplicaciones, sobre todomédicas, a partir de la invención de las cámaras pro-porcionales multihilos realizada por G. Charpak afinales de los años 60. El desarrollo de nuevos cente-lleadores sólidos para la detección de radiación elec-tromagnética (monocristales de BGO) ha sido rápida-mente incorporado a los tomógrafos por emisión depositrones. En este contexto resulta incluso más llama-tivo que la antimateria (los positrones), una creaciónteórica fundamentada en la Teoría de la Relatividad yen la Mecánica Cuántica, se haya incorporado conabsoluta normalidad a la vida ordinaria.

FORMACIÓN CIENTÍFICA Y TÉCNICA ENEL CERN

La realización de una investigación básica de exce-lencia, que exige el desarrollo de numerosas tec-nologías de vanguardia, es un factor esencial para laformación de jóvenes licenciados, ingenieros y técni-cos procedentes de muy diversas entidades académi-cas. 269 becarios, de los que 28 son españoles (el10.4%), forman parte de la plantilla del CERN, traba-jan en sus instalaciones al tiempo que progresan en suformación. Adicionalmente, el CERN sustenta nume-rosos programas específicos para la formación de estu-diantes de licenciatura y doctorado, aprendices y técni-cos de distinta graduación.

La formación abarca muy distintos aspectos: física,computación científica, comunicaciones, aceleradores,

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instrumentación, tecnologías y gestión. Un instrumen-to importante para cumplir esta misión es la organi-zación de escuelas, entre las que cabe destacar las defísica, aceleradores y computación. De singular rele-vancia es el programa de formación destinado a profe-sores de institutos de enseñanza secundaria. Desdehace unos años se organiza una Escuela CERN-Latinoamérica que pretende fomentar la cooperaciónentre el CERN y el continente latinoamericano.

El CERN es una fábrica de producción de doctoresque han aprendido a trabajar en áreas de vanguardia yen un entorno multinacional muy competitivo. Elestrecho contacto con los agentes industriales y la fre-cuente necesidad de gestionar recursos humanos ymateriales importantes y bien delimitados, y atenerse acalendarios estrictos, son aspectos destacados del pro-ceso de formación que se recibe en el CERN y que sonmuy apreciados en los mercados de trabajo. Esto haceque cerca del 60 % de los doctores que se forman en elentorno del CERN se incorporen a la industria (com-putación, comunicaciones, química, electrónica, finan-zas, etc).

Una de las formas más eficaces de transferir tec-nologías es a través del trasvase de personal formadoen centros de excelencia. En este sentido la formaciónde personal en el entorno del CERN es un instrumentorelevante para transferir las tecnologías y metodo-logías desarrolladas en el CERN al tejido empresarial.El CERN tiene establecido acuerdos con distintos esta-dos miembros, entre ellos España, para facilitarestancias de formación (CERN Trainees) que handemostrado ser muy operativos y de notable utilidad.

EL CERN Y LA COOPERACIÓNINTERNACIONAL

Como ya se ha indicado el CERN cuenta con unaplantilla de 3526 personas. 7494 usuarios externosprocedentes de unas 600 instituciones, departamentosuniversitarios y centros de investigación de todo elmundo, participan en los programas de investigacióndel CERN. Estas cifras dan una idea de la magnitud delas colaboraciones que se desarrollan alrededor de lasgrandes instalaciones científicas que operan en los la-boratorios del CERN. Como decía Pasteur a finales delsiglo XIX “La ciencia no tiene patria” y el CERN es

probablemente la demostración más visible de estaaseveración. Las afinidades científicas y tecnológicasconstituyen el fundamento de las grandes colabora-ciones multinacionales que trabajan en el CERN.Desde su creación el CERN ha propiciado el estableci-miento de relaciones entre científicos y técnicos demuy diversos países, en algunos casos con regímenespolíticos altamente incompatibles. En los años oscurosde la guerra fría, el CERN fue uno de los escasosmecanismos para mantener relaciones entre investi-gadores occidentales y los procedentes de la UniónSoviética y países del telón de acero. El espíritu decooperación surgido de este entorno puramente cientí-fico ha calado progresivamente a otros estratos de lasociedad y ha terminado creando una auténtica culturacooperativa.

En nuestro entorno, Europa, el CERN está en el ori-gen de lo que constituye el verdadero espíritu de launidad europea. Esto es, de cooperación abierta y sinfronteras. La movilidad de investigadores generadapor el CERN desde sus inicios hace 50 años se hatrasladado de forma amplificada a otros ámbitos de lasociedad y es hoy una de las señas de identidad en laUnión Europea. Es sintomático que un buen númerode los países que en mayo de 2004 se integraron en laUnión Europea pertenecían desde hace años al CERN.En un cierto sentido podría afirmarse que la idea deEuropa tuvo su primera concreción en la creación delCERN hace 50 años.

ESPAÑA Y EL CERN

El desarrollo de la Física de Altas Energías enEspaña, especialmente su componente experimental,es un ejemplo paradigmático de errática política cientí-fica gubernamental que, sólo recientemente, parecehaberse estabilizado. La investigación en esta disci-plina, al igual que en otras que se encuadran en la cate-goría de la denominada Gran Ciencia, tiene unas ca-racterísticas (cooperación internacional, conexionescon sectores industriales, costes, calendarios) queaconsejan actuaciones continuadas durante largos peri-odos de tiempo, sin sobresaltos, improvisaciones oirreflexivos cambios estratégicos.

En las dos últimas décadas, desde el retorno deEspaña al CERN en 1983, se ha ido desarrollando una

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notable actividad investigadora en física de altasenergías en nuestro país. El trabajo pionero iniciado enla Junta de Energía Nuclear en Madrid, hoy CIEMAT,y en el Instituto de Física Corpuscular, IFIC, enValencia, a principios de los años sesenta, ha dado susfrutos y en la actualidad existen grupos consolidados yrelevantes, además de en el CIEMAT y en el IFIC, enlas Universidades Autónoma de Barcelona yAutónoma de Madrid, Complutense de Madrid,Santander, Santiago de Compostela y Zaragoza, asícomo en el CSIC. De más reciente creación son losgrupos localizados en la Universidades de Barcelona,Oviedo, Granada, Sevilla y Huelva.

Instrumento esencial en el desarrollo de esta disci-plina científica ha sido el Plan Movilizador de la Físicade Altas Energías, modelo para los ProgramasNacionales de I+D que surgieron en 1986 en el Marcodel Plan Nacional de Investigación y Desarrollo. Unode estos programas, el actualmente denominadoPrograma Nacional de Física de Partículas, ha sido lacolumna vertebral para la financiación de actividades yla correcta participación de los grupos españoles en losprogramas del CERN, de otros grandes laboratoriosinternacionales (DESY, FERMILAB, SLAC, KEK,GSI y Gran Sasso) y la realización de actividadesafines, especialmente en el campo de la astrofísica departículas, una fascinante disciplina científica surgidaen la frontera de la física de partículas, la astrofísica yla cosmología.

A modo de resumen se adjunta en el recuadro VIuna relación de los experimentos CERN que seencuentran en fase de análisis de datos, operación opreparación, y en los que hay participación de gruposespañoles.

CONSIDERACIONES FINALES

Al cumplirse los primeros 50 años de su existencia,el CERN ha cumplido con creces las expectativas ori-ginales. Nacido de la visión de un reducido número decientíficos que intuyeron la oportunidad de crear unlaboratorio de excelencia en Europa para la investi-gación en física nuclear y subnuclear, al tiempo que unpoderoso instrumento para acercar las naciones conayuda de la ciencia. La convención del CERN destacala misión de fomentar la colaboración internacional y

promover el contacto e intercambio de investigadoresa nivel europeo y mundial.

La aportación del CERN al conocimiento de laestructura fundamental de la materia (partículas ele-mentales e interacciones) ha sido esencial. Gracias alos trabajos realizados en el CERN en los últimos 35años (descubrimiento de las corrientes neutras, des-cubrimiento de los bosones vectoriales intermediarios,validación de la estructura mecano-cuántica delModelo Estándar, descubrimiento de la violacióndirecta de la simetría CP) tenemos una comprensiónprofunda de las interacciones electromagnéticas ydébiles y la prueba definitiva de su descripción unifi-cada, un hecho de importancia comparable a la unifi-cación electromagnética propuesta por J. C. Maxwellen 1864.

El CERN ha contribuido de forma destacada aldesarrollo de instrumentación avanzada para la cons-trucción de instalaciones científicas de complejidad ytamaño desconocidos hasta hace unas pocas décadasen el ámbito de la ciencia pura. Estos descubrimientoshan merecido reconocimiento al más alto nivel comolo demuestra la concesión del Premio Nobel de Físicaa tres de sus ilustres investigadores: Simon van derMeer (1984), Carlo Rubia (1984), Georges Charpak(1992). El entorno científico y las sobresalientesinfraestructuras del CERN han atraído a los más pres-tigiosos investigadores en este campo y varios PremiosNobel de Física, J. Steinberger, S.C.C. Ting y M.Veltman entre otros, han desarrollado gran parte de suactividad en el CERN.

Es obligado destacar que no sólo en el terreno delas realizaciones científicas el CERN ha cumplido susobjetivos. En los ámbitos de la innovación y el desa-rrollo tecnológico, y de la educación y transferencia deconocimiento y tecnología, el CERN ha sido una refe-rencia a nivel europeo y mundial y un modelo seguidopara la creación de otras organizaciones europeas dedi-cadas a la investigación. La invención del www en elCERN es el ejemplo paradigmático de lo que la inves-tigación básica puede aportar a la Sociedad. La apli-cación de instrumentación avanzada en sectores de laMedicina es otro aspecto destacable y en crecienteexpansión.

Finalmente es imprescindible recalcar el papel pio-nero y determinante que el CERN ha desempeñado en

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el marco de la cooperación internacional haciendorealidad una característica esencial de la ciencia: la noexistencia de fronteras.

El CERN ha hecho realidad unas palabras deGeorges Sarton citadas por Su Majestad el Rey JuanCarlos I el 21 de septiembre de 1984 en su discurso enel CERN con ocasión de la celebración del 30Aniversario: “La ciencia es esencialmente interna-cional, sería incluso más justo decir que es suprana-cional. En todo tiempo y en todo lugar, los hombres deciencia tienen la necesidad de colaborar y no puedencesar de hacerlo, incluso si lo quisieran, ya que sutarea es esencialmente similar. Todos escalan una mis-ma montaña y si a veces sus caminos se separan, todosse dirigen hacia una misma cima. Millares de científi-cos dedican su vida entera a esta tarea colectiva comolas abejas en sus colmenas, siendo el mundo la colme-na”. El espíritu de cooperación del CERN ha superadobarreras políticas y prejuicios varios y se ha convertidoen una de sus más preciadas señas de identidad.

Recuadro I

EL DESCUBRIMIENTO DE LASCORRIENTES NEUTRAS

Las corrientes neutras fueron descubiertas en elCERN en 1973 por una colaboración dirigida porAndré Lagarrigue, del Laboratorio del AceleradorLineal (LAL) de Orsay, utilizando la gran cámara deburbujas de líquido pesado GARGAMELLE (figura3), construida en Saclay por un equipo técnico dirigidopor el propio Lagarrigue que en 1963 había propuestosu construcción.

El descubrimiento de las corrientes neutras es unode los hitos sobresalientes en una década prodigiosa(1967-1976) repleta de importantes descubrimientosexperimentales y desarrollos teóricos que modificaronsensiblemente nuestra visión de la estructura última dela materia. La predicción de la unificación electrodébilen el sector leptónico, el descubrimiento de la disper-sión profundamente inelástica en colisiones inducidaspor electrones, el descubrimiento de los quarks c y b ydel leptón τ, la idea de libertad asintótica y la formu-lación de la Cromodinámica Cuántica son algunos delos avances más destacables producidos durante aque-llos años.

La cámara de burbujas GARGAMELLE tenía unalongitud de 4.8 m y un diámetro de 1.9 m, conteniendoun volumen de 20 toneladas de freón. Durante variosaños este detector operó en los haces de neutrinos pro-ducidos en el Sincrotrón de Protones (PS) y SuperSincrotrón de Protones (SPS) del CERN. Es intere-sante recordar que, en la relación de prioridadesestablecida por la colaboración en 1968, la búsquedade las corrientes neutras aparecía en octavo lugar. Enposición destacada estaba la búsqueda del los bosonesW± y el estudio de los procesos profundamente inelás-ticos.

Esta priorización venía en cierta medida justificadapor la existencia de distintas opciones teóricas parasolventar el problema de las divergencias en la teoríade Fermi. Las corrientes neutras propuestas porGlashow, Weinberg y Salam era una entre varias posi-bilidades. Hasta 1971, gracias a los trabajos de renor-malización de Veltman y ‘t Hooft, el escenario teóricono se decantaría a favor de la existencia de corrientesneutras, al menos en las interacciones entre leptones.Esto hizo que la colaboración se esforzase en labúsqueda de reacciones leptónicas sumamente raras,νµ+e−→νµ+e− y ⎯νµ+e−→νµ+e−, en las un electrónsurge formando un pequeño ángulo (~2º) en relacióncon el haz incidente de neutrinos fabricado a partir deun haz intenso de protones de 26 GeV producido en elPS.

El primer suceso con esta topología se encontró enAachen en diciembre de 1972 tras escrutar unas

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Figura 3. Vista de la cámara de burbujas GARGAMELLE.

100 000 fotografías (figura 4). El escrutinio de cercade 1.5 millones de clichés en 1973 sólo añadiría doscandidatos adicionales pero animaría a la colaboraciónen la búsqueda de corrientes neutras hadrónicas, reac-ciones del tipo νµ+N→νµ+hadrones con energía delsistema hadrónico superior a 1 GeV. Aunque el escruti-nio de las fotografías reveló la existencia de reaccionesen las que no aparecía un muón en el estado final, eranecesario demostrar que la interacción estaba inducidapor un neutrino y no por un neutrón producido en lacolisión del neutrino primario con el blindaje situadoen la región frontal de GARGAMELLE. Las depen-dencias radiales y longitudinales del vértice de la inter-acción confirmaron que los sucesos observados eranproducidos por neutrinos.

La aceptación del descubrimiento realizado enGARGAMELLE no fue inmediata, toda vez que unexperimento electrónico contemporáneo realizado enFERMILAB, con un haz de neutrinos producido a par-tir de un haz de protones de 300 GeV, presentó ennoviembre de 1973 resultados compatibles con la noexistencia de corrientes neutras. La confusión duraríahasta mediados de 1974 en el que nuevos experimen-tos en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL)y FERMILAB encontrarían evidencia independientede la señal de corrientes neutras y confirmarían losresultados obtenidos en el CERN. La medida delcociente de la frecuencia de interacciones mediadaspor corrientes neutras relativa a la mediada por corri-entes cargadas (del orden del 20%) permitiría calcularel valor del ángulo débil (sin2θW), compararlo con laspredicciones del modelo de Weinberg-Salam y estable-

cer una primera estimación de las masas de losbosones vectoriales W± y Z0.

El descubrimiento de las corrientes neutras en elCERN incrementó de forma notable el prestigio de laOrganización poniendo de manifiesto la crecientecompetencia técnica de los equipos europeos (cons-trucción de GARGAMELLE en Saclay y construccióndel haz de neutrinos en el CERN) y la capacidad cien-tífica de los grupos investigadores.

En este contexto, tal vez sea apropiado añadir queeste descubrimiento ocupa un puesto de honor en elextraordinario legado científico de las cámaras de bur-bujas y su contribución a la comprensión del mundo dela micromateria. Otros ejemplos sobresalientes loconstituyen el descubrimiento del barión Ω− en BNL,el establecimiento del espectro de resonanciashadrónicas (mesónicas y bariónicas), que confirmó lavalidez de la simetría SU(3) y el concepto de quarksconstituyentes, y en cuyo proceso el CERN tuvo espe-cial protagonismo, y la medida de las propiedades deescala en la difusión profundamente inelástica de neu-trinos, que estableció la existencia de partones y por lotanto de quarks dinámicos, actividad en la que igual-mente el CERN con su gran cámara de burbujas BEBCtuvo un papel determinante.

Recuadro II

EL DESCUBRIMIENTO DE LOS BOSONESW±± Y Z0

El descubrimiento de las corrientes neutras en elCERN en 1973, y la medida de su importancia enrelación con las corrientes cargadas, permitía haceruna primera estimación de la masa de los bosonesgauge W± (~ 65 GeV) y Z0 (~ 90 GeV) y establecerfuera de toda duda el interés científico de un colisiona-dor de electrones y positrones que estudiase con granprecisión las propiedades de los agentes propagadoresde la interacción electrodébil. Estos argumentos sen-tarían las bases para la construcción de LEP (LargeElectrón Positron Machine) en el CERN. Un primergrupo de trabajo se crearía a mediados de 1976 y deta-llaría el potencial de una instalación de estas carac-terísticas.

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Figura 4. Primera interacción elástica antineutrino del muón-electrón observada en GARGAMELLE.

En cualquier caso, a mediados de los años 70, lapresión por establecer la existencia de los W± y Z0 eraconsiderable y la probable fecha de entrada enoperación de LEP, hacia finales de los años 80, se anto-jaba muy lejana. Desgraciadamente, ninguno de losaceleradores disponibles por entonces tenían suficienteenergía para producir estas partículas y no parecíarazonable, por razones económicas y de calendario,construir un colisionador protón-protón inspirado enlos ISR (Intersecting Storage Rings) en detrimento deLEP. Esta argumentación negativa tenía menor sentidoen el caso de un colisionador protón-antiprotón que, enprincipio, podría utilizar la red magnética existente yno hacía necesario construir una red magnética adi-cional. La opción protón-antiprotón implicaba por otraparte la construcción de una fuente intensa de antipro-tones, algo jamás realizado hasta la fecha.

Las ideas iniciales de convertir el recientementeestrenado SPS (1976) en un colisionador protón-antiprotón se deben a Carlo Rubbia que, desde el prin-cipio hasta el fin, fue el verdadero impulsor de esteproyecto. Sin la determinación y clarividencia deCarlo Rubbia probablemente aún hoy no existirían estetipo de colisionadores y, entre otras cosas, segura-mente aún no se habría descubierto, de forma directa,el quark top. En 1977 Simon van der Meer lidera laelaboración de un estudio de viabilidad de la transfor-mación del SPS, que implica la construcción de unAcumulador de Antiprotones (AA), al tiempo que sepropone la realización de un experimento, ICE (InitialCooling Experiment), para validar las ideas de van derMeer sobre el enfriamiento estocástico de antiprotonesy Rubbia inicia el diseño conceptual de un detector,UA1 (figura 5).

En junio de 1978 se concluye con éxito ICE y seaprueba la construcción del experimento UA1. Mesesdespués se aprobaría un segundo experimento, UA2.En el verano de 1981 concluía el esfuerzo heroico detransformar el SPS y el 9 de julio se obtenían lasprimeras colisiones protón-antiprotón para una energíatotal en el centro de masas de 540 GeV y una lumi-nosidad de 1025 cm−2s−1. Esta luminosidad se incre-mentaría progresivamente hasta alcanzar valores pró-ximos a 1030 cm−2s−1.

La construcción de los experimentos UA1 y UA2,pero especialmente UA1, marca un hito en la evolu-

ción del tamaño de los detectores en física de altasenergías y en la dimensión de las colaboraciones. UA1tenía un volumen (~10×6×6 m3) y peso (~2000toneladas) considerables y una complejidad tecnológi-ca que significaba un avance cualitativo en relacióncon los detectores construidos hasta entonces. Lacolaboración estaba formada por unos 130 físicos,cifra considerable en el final de la década de los 70pero francamente modesta para las prácticas actuales(~2500 colaboradores en los experimentos ATLAS yCMS del LHC). El experimento incluía un novedoso ymuy preciso detector central, calorimetría electromag-nética y hadrónica y un sistema de cámaras de muones.Una importante característica del detector era su her-meticidad, un aspecto de suma relevancia para la iden-tificación y medida de neutrinos procedentes de lasdesintegraciones de los W±.

En noviembre / diciembre del año 1982, con el coli-sionador operando con una luminosidad de1028cm−2s−1, UA1 identificaba 5 candidatos de ladesintegración W→ e ν y hacía una primera esti-mación de la masa del W, mW 81±5 GeV. Semanas=

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Figura 5. Vista del detector UA1.

más tarde, UA1 seleccionaba 4 candidatos de desinte-graciones Z→ e+ e− y presentaba una primera esti-mación de la masa del Z, mZ 95.5 ± 2.5 GeV. Casisimultáneamente UA2 obtenía resultados similaresque establecían la prueba definitiva de la existencia delos bosones W± y Z0.

Al concluirse el programa experimental de UA1 yUA2 en 1992 se habían acumulado del orden de 200desintegraciones del Z0 y 2400 desintegraciones delW±. Estas muestras estadísticas permitieron determi-nar mZ y mW con una precisión de ±1 GeV en amboscasos. Años más tarde el programa experimental deLEP haría posible reducir estos errores en un factor500 y 20, respectivamente.

El descubrimiento en el CERN de los bosones W±

y Z0 representaba la justificación definitiva de que lanaturaleza se describe correctamente por teoríasgauge. Este descubrimiento suponía una inversión enel liderazgo en física de partículas y Europa volvía atomar la cabeza.

Recuadro III

LEP Y EL MODELO ESTÁNDAR

El descubrimiento de las corrientes neutras en 1973y de los bosones vectoriales W± y Z0 en 1983, ambosen el CERN, deben ser considerados como lasprimeras evidencias experimentales decisivas de lavalidez del sector electrodébil del Modelo Estándar,

formulado por Glasow, Weinberg y Salam como unateoría gauge SU(2)×U(1) con las masas de las partícu-las generadas por el mecanismo de Higgs.

Estos descubrimientos reforzaban la justificacióncientífica de construir un colisionador de electrones ypositrones que midiese con precisión las propiedades(estáticas y dinámicas) de los bosones W± y Z0 yestableciese sin ambigüedad la naturaleza mecano-cuántica del Modelo Estándar convertido en Teoríagracias a los trabajos de Veltman y ‘t Hooft. El proyec-to LEP, elaborado en el CERN en la segunda mitad dela década de los 70, sería aprobado por el Consejo delCERN en diciembre de 1981. Las primeras interac-ciones e+e− en la región de energías dominada por el Z0

se producirían en agosto de 1989. Las últimas tendríanlugar en noviembre del año 2000, habiendo alcanzadoLEP la energía de 209 GeV.

Como se ha señalado en numerosas publicaciones,los cuatro experimentos operando en LEP —ALEPH,DELPHI, L3, OPAL— (figura 7) han producido unaplétora de resultados científicos de enorme interés queabarca el sector electrodébil, la CromodinámicaCuántica, el estudio de hadrones con quark b, laspropiedades del leptón tau, la búsqueda de nuevaspartículas e interacciones y explora —acota— posiblesextensiones del Modelo Estándar.

Entre 1989 y 1995 los experimentos en LEP colec-cionaron un total de 18 millones de Z0, entre 1995 y2000 se almacenaron cerca de 80 000 W± (figura 8).

=

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Figura 6. Ejemplo de interacciones antiprotón-protón obser-vadas en el experimento UA1.

Figura 7. Vista de los detectores ALEPH, DELPHI, L3 en el coli-sionador LEP.

La alta estadística y las excepcionales prestacionesde los detectores permitieron hacer medidas de muyalta precisión de las propiedades del Z0 (masa, modos,anchuras y relaciones de desintegración, secciones efi-caces totales y diferenciales, asimetrías, polariza-ciones, etc). A destacar el valor obtenido en la medida

de la masa, un parámetro fundamental del ModeloEstándar, y la anchura total:

El conjunto de todas estas medidas ha permitidorealizar, por una parte, tests exhaustivos (a nivel deluno por mil) de predicciones del Modelo Estándar y,por otra, establecer conclusiones definitivas sobre elnúmero de variedades de neutrinos (Nν 2.985±0.008) (figura 9), predecir la existencia del quark top yhacer una estimación precisa del valor de su masa(mt 173±12

±19 MeV). La medida directa realizadaaños más tarde en FERMILAB está en muy buenacuerdo con esta predicción (figura 10).

El estudio de las aniquilaciones electrón-positrónen la región del Z0 ha sido de enorme relevancia paraconsolidar sobres bases experimentales firmes la teoríaque describe las interacciones fuertes, la Cromodiná-mica Cuántica (QCD). La medida de la constante deacoplo en la región del Z0 (αs 0.1183±0.0027) y suevolución hasta el valor más alto de la energía alcanza-do en LEP, 209 GeV, ha demostrado la validez del con-cepto de libertad asintótica.

=

=

=

Z

Z

M 91187.5 2.1 MeV2495.2 2.3 MeV

= ±Γ = ±

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Figura 8. Ejemplo de interacciones electrón-positrón obser-vadas en LEP.

Figura 9. Sección eficaz de aniquilación electrón-positrón enLEP. Las curvas son las predicciones para Nν 2, 3, 4.=

Figura 10. Diagrama mt−MW con las medidas directas e indi-rectas.

La observación del auto-acoplamiento de tres glu-ones y la medida del valor del acoplo ha establecido elcarácter no-abeliano de QCD, a diferencia de otrasteorías gauge del tipo QED que son de tipo abeliano yprohíben el auto-acoplo de los bosones gauge. Laobservación de la evolución en función de la energíade la constante de acoplo αs tiene su paralelismo en elcomportamiento de las masas de los quarks. La masadel quark b tambíen presenta una dependencia con laenergía consistente con las predicciones de QCD.

Finalmente es apropiado mencionar que la medidaprecisa de los acoplos gauge SU(3), SU(2) y U(1) en laregión Z0 permite hacer extrapolaciones a muy altasenergías y extraer conclusiones acerca de los modelosde unificación de las fuerzas electromagnéticas,débiles y fuertes.

El estudio de la producción de pares W+W− en LEPha permitido medir las propiedades de estos bosonescomo, por ejemplo, la masa y anchura,

y en el caso de la masa comparar esta medida directacon la predicción obtenida a partir del valor de la masadel Z0 y las correcciones radiativas electrodébiles(figura 9). Al igual que en el caso del quark top, lamedida directa y la indirecta están en excelente acuer-do y proporcionan evidencia adicional sobre la validezdel Modelo Estándar a nivel cuántico. También delestudio de los bosones W± puede extraerse la magnituddel acoplamiento triple de los bosones gauge (Z0

W+W−) y comparar el valor obtenido con las predic-ciones del Modelo Estándar.

La búsqueda del bosón de Higgs ha sido tema demáxima prioridad en LEP. Del estudio de los procesosvirtuales en la región del Z0 se ha derivado un valormás probable para su masa

La búsqueda directa realizada estudiando el proce-so e+ e−→Z H ha permitido derivar un límite inferior

La combinación de ambos límites (figura11) sugie-re la existencia de un bosón de Higgs ligero que debe-rá ser detectado y estudiado con precisión en el LHC.

Recuadro IV

DESCUBRIMIENTO DE LA VIOLACIÓNDIRECTA DE CP

La idea de la simetría CP (C Conjugación de car-ga, P Paridad) se introduce en física de partículas afinales de los años 50, poco después del descubrimien-to de la violación de la simetría P en procesos media-dos por la interacción débil (desintegraciones nuclear-es β), y postula que las partículas dextrógiras se com-portan de la misma forma que las antipartículaslevógiras. En 1964, J. Cronin y V. Fitch observaron enun estudio experimental de los mesones extraños K0

realizado en BNL una pequeña pero significativa vio-lación de este principio de simetría. El intento deexplicar este efecto extremadamente sutil condujo a lapredicción teórica de que el número de quarks deberíaser 6, en lugar de los 3 identificados hasta la fecha.Casi simultáneamente A. Saharov argumentó a favorde incluir la violación de CP en la lista de condicionesnecesarias para explicar el observado déficit de anti-materia en el Universo a partir de las leyes de lamicrofísica.

==

HM 114.4 GeV (95% CL)>

58H 37

H

M 91 GeVM 202 GeV (95% CL)

+−=

<

W

W

M 80 412 42 MeV2150 91 MeV

= ±Γ = ±

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Figura 11. Límites de la masa del bosón de Higgs.

Antes de 1964, admitiendo la conservación exactade CP, se admitía que las dos variedades (o autoestadosde masa) del K0/K0, el K0

S de vida media corta((0.8941 ± 0.0009)×10−10 s) y el K0

L de vida medialarga ((5.17±0.04)×10−8 s), se desintegraban exclusi-vamente en 2 y 3 piones respectivamente. En BNL sedetectó por primera vez que en algunos casos (delorden de 3 por mil) el K0

L se desintegra en dos piones.Esta forma de no conservarse CP se ha denominadoviolación indirecta o a través del fenómeno de mezclaK0/K0.

La búsqueda de otras formas de violación de CP, enparticular la que se origina a nivel de transiciones delos quarks constituyentes, se consideró del máximointerés toda vez que implica que la naturaleza puededistinguir entre materia hecha de quarks y antimateriahecha de antiquarks. Esta modalidad de violación deCP se denomina directa y significa que la probabilidadde desintegración es diferente para una partícula y sucorrespondiente antipartícula. Este mecanismo podríahaber estado operativo instantes después del Big Bangy ser parcial o totalmente responsable de la asimetríamateria-antimateria observada en el universo cercano.

La puesta de manifiesto de este fenómeno exige lamedida extraordinariamente precisa de dos cocientes.El primero es la relación K0

L→π+π−/K0L→π0π0, el

segundo es la relación K0S→π+π−/K0

S→π0π0. Enausencia de violación directa de CP estos dos cocientestienen que tener idéntico valor.

La propuesta experimental para la realización deestas medidas se remonta a 1982 (experimento NA31).Las primeras medidas proporcionaron evidencia parala violación directa de CP y sugirieron la continuacióndel programa experimental y apreciables modifica-ciones del dispositivo que fueron aprobadas en 1991(experimento NA48). El parámetro que cuantitativa-mente mide este efecto es ε’ /ε, que debe ser cero enausencia de violación directa de CP. ε mide la magni-tud de la violación indirecta observada por primera vezen 1964 y su valor es (2.282±0.017)×10−3. En el año2001, se anunció en el CERN el resultado final deestas medidas (ε’ /ε (15.3±2.6)×10−4) que confirma-ban las indicaciones iniciales de NA31.

El descubrimiento de la violación directa de CP esotro ejemplo de la competencia entre el CERN y los

Estados Unidos (FERMILAB en este caso) que se cier-ra con balance positivo para Europa. Mientras que losexperimentos del CERN, NA31 y NA48, obtenían deforma consistente valores de ε’ /ε significativamentedistintos de 0 y compatibles entre si, los experimentosde FERMILAB, E731 y KTeV, producían medidaspoco concluyentes que finalmente han convergidohacia el valor obtenido en el CERN.

En cualquier caso, la magnitud de la violacióndirecta de CP es un efecto excesivamente diminuto, delorden del uno por millón, para explicar la desapariciónde toda la antimateria producida en el Big Bang. Tienenecesariamente que existir un efecto mucho mayor queexplique la evolución desde un universo primordialsimétrico en materia y antimateria a uno despoblado deantimateria.

Recuadro V

EL LHC

El descubrimiento de los bosones vectoriales W± yZ0 en el CERN en 1983 y la consagración del ModeloEstándar, como resultado de las medidas de precisiónrealizadas en LEP durante el período 1989-2000, ilus-tran los dos caminos que han protagonizado el avanceen física de partículas en estas últimas décadas: 1) laexploración directa de nuevas regiones de energía enbúsqueda de nuevos fenómenos y 2) el estudio de altaprecisión de las propiedades de las partículas elemen-tales y de las fuerzas fundamentales ya establecidas.Estas dos líneas de actuación son en buena medidacomplementarias y, como ha demostrado la experi-mentación en LEP, las medidas de precisión a unadeterminada energía permiten vislumbrar que clase defenómenos aparecerán a más altas energías y anticiparlas regiones de interés.

LEP ha anticipado con claridad que el bosón deHiggs del Modelo Estándar es una partícula ligera, demasa inferior a aproximadamente 250 GeV. Tambiénha sugerido la escala de ~1 TeV como umbral muyprobable para la puesta de manifiesto de una nuevafenomenología que podría incluir partículas super-simétricas, tecnicolor, dimensiones extras o super-gravedad a bajas energías, entre otras fascinantes pro-puestas de Nueva Física.

=

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La exploración directa de esta región de energías yla posibilidad de realizar medidas de precisión es larazón de ser del LHC, la gran instalación científica quese está construyendo en el CERN y cuya entrada enfuncionamiento está prevista para la segunda mitad delaño 2008. El colisionador LHC va a permitir estudiarcolisiones protón-protón a 14 TeV en el centro demasas e interacciones plomo-plomo a 1300 TeV en elcentro de masas. Existe la firme convicción de que elLHC establecerá la naturaleza de la observada roturade la simetría electrodébil (el mecanismo de Higgsfrente a otras alternativas), dilucidará la posible exis-tencia de partículas supersimétricas —o de otro tipo—así como de nuevas interacciones, pondrá de mani-fiesto el desconfinamiento de los quarks y la transiciónde fase hadrones-plasma de quarks y gluones y ayu-dará a profundizar en el conocimiento de los saborespesados (quarks b y top) y en procesos mediados porviolaciones de la simetría CP.

Los resultados de estas investigaciones tendráninfluencia en campos estrechamente relacionados conla Física de Partículas como son la Astrofísica y laCosmología y seguramente ayudarán a desentrañar elmisterio de la materia oscura y de la propia existenciade la materia bariónica (asimetría materia-antimate-ria). En definitiva, con el LHC se inicia el asalto, talvez definitivo, a algunas de las cuestiones y desafíosintelectuales más fundamentales en investigación bási-ca.

El punto de partida del LHC se remonta a Marzo de1984 (reunión en Lausana del Comité ECFA,European Committee for Future Accelerators) aunquela posibilidad de instalar un colisionador hadrónico enel CERN se había previsto años antes al aprobar laconstrucción de LEP y dimensionar el diámetro deltúnel para que pudiesen cohabitar dos grandes coli-sionadores: LEP y el LHC. El proyecto LHC fueaprobado en primera instancia por el Consejo delCERN en Diciembre de 1994 pero con unas restric-ciones de financiación tales que imponían un procesode construcción estructurado en dos fases, algo ver-daderamente comprometido al tratarse de una máquinasuperconductora.

Afortunadamente en 1996, tras una notable crisisque desembocó en una significativa reducción del pre-supuesto de la Organización, el Consejo del CERN

autorizó un perfil de endeudamiento, que se prolon-gará hasta el año 2010, que permitía construir el LHCen una sola fase. En Enero de 1996 se aprobó la cons-trucción de dos experimentos de carácter genérico,ATLAS y CMS, y algo más tarde se aprobó la cons-trucción de ALICE y LHCb diseñados específicamentepara el estudio de las colisiones de iones ultrarrela-tivistas y la producción de partículas con quark b,respectivamente (figura 12).

Las extraordinarias dificultades técnicas del acele-rador y de los detectores y los condicionantes de finan-ciación han obligado a modificar los plazos de cons-trucción de esta gran instalación científica. Está pre-visto que el LHC inicie su operación en la segundamitad del 2008.

El proyecto LHC supone un salto cualitativo con-siderable en la construcción de colisionadores hadróni-cos. De hecho el único colisionador protón-protón queha funcionado hasta la fecha eran los ISR (IntersectingStorage Rings) del CERN en la década de los 70, conuna energía total en el sistema de centro de masasigual a 60 GeV y una luminosidad de 1031 cm-2s-1. Elcolisionador SPPS del CERN y el Tevatrón de FER-MILAB son máquinas antiprotón-protón. El Tevatrónestá operando en la actualidad con una energía de 2TeV y ha alcanzado una luminosidad de ~1032 cm-2 s-1,parámetros a comparar con los 14 TeV y 1034 cm-2 s-1

del LHC. La progresión en energía y luminosidad (va-rios ordenes de magnitud) origina una formidablecomplejidad en la construcción y operación de la insta-

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Figura 12. Vista de los detectores CMS, ATLAS, LHCb, ALICEen el colisionador LHC.

lación y detectores y supone un extraordinario desafíoen la realización del programa experimental.

El núcleo esencial del colisionador LHC es la redmagnética, basada en 1232 imanes dipolares supercon-ductores de doble apertura —equivalentes a 2264dipolos simples— que funcionarán a 9 Teslas. Cadaimán tiene una longitud de 15 m. La máquina incorpo-ra además 392 imanes superconductores cuadru-polares y más de 4000 imanes correctores supercon-ductores de diversos tipos. La denominada masa fría,enfriada por helio superfluido a 1.9 K, alcanza las40 000 Toneladas.

La alta luminosidad de la máquina se consigue gra-cias a que cada uno de los dos haces de protones estáformado por 2835 paquetes, separados 7,48 metros o24,95 nanosegundos, y cada paquete contiene 1,05×1013 protones. En los puntos de colisión para los expe-rimentos ATLAS y CMS los haces se cruzarán con unángulo de 200 microradianes. La sección transversalserá de 15,9 micrones y la longitud de cada paquete 7,7

cm. La intensidad de los haces es de 0,536 A y laenergía almacenada por haz es de 334 MJ —equiva-lentes a 60 kg de TNT—. El número total de interac-ciones producidas en cada cruce de haces es 18,84.

Los detectores de propósito general ATLAS y CMSson complementarios en el sentido que, compartiendocriterios imprescindibles de hermeticidad, presta-ciones, fiabilidad y robustez, han adoptado solucionestécnicas diferentes para los sistemas magnéticos, losdetectores de trayectorias, los calorímetros hadrónicosy electromagnéticos y los sistemas de detección ymedida de muones. Ambos son de grandes dimen-siones (figura 13) y considerables peso —55×35×40m3, 7 000 toneladas (ATLAS), 22×15×15 m3, 12 500toneladas (CMS)— y tienen más de 107 canales elec-trónicos. Tal vez las diferencias más significativasradiquen en las opciones magnéticas (un único sole-noide superconductor de gran tamaño en el caso deCMS, un solenoide y super-toroides superconductoresen el caso de ATLAS) y en la solución adoptada para lacalorimetría electromagnética (argón líquido en el casode ATLAS, más de 76 000 monocristales de tungstana-to de plomo en el caso de CMS).

La alta luminosidad y la alta energía introducenextraordinarias complicaciones en el funcionamientode los detectores y en los procesos de adquisición,selección, reducción y procesado de datos. La frecuen-cia de cruces de haces protón-protón para una lumi-

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Figura 13. Vista parcial del solenoide superconductor de CMSy de los ocho toroides superconductores de ATLAS.

Figura 14. Simulación de una interacción protón-protón en elLHC.

nosidad de 1034 cm-2 s-1 será de 40 MHz, lo que gene-rará del orden de 109 interacciones por segundo (figura14).

A diferencia de lo que sucedía en el caso de LEP, endonde todas las interacciones vienen inducidas porpartones —electrones y positrones— y su estudio esrelevante, en el caso del LHC las partículas en el esta-do inicial —protones— son agregados de partones ysólo una muy reducida fracción de las colisiones pro-ducidas tiene verdadero interés. Tal es el caso de laproducción de un bosón de Higgs de masa 500 GeV,sólo una interacción de cada 1012 es relevante. Esto dauna idea de la complejidad del proceso de selección decolisiones para el posterior análisis detallado.

Similar nivel de complejidad tiene el proceso decompresión de la información registrada en los más de107 elementos sensores de cada uno de estos detec-tores. Una vez comprimida, la información de una co-lisión seleccionada tiene un tamaño del orden de 1 MB(hasta 40 MB para una colisión Pb–Pb). De un total de1014 colisiones/día está previsto seleccionar 107 que,integradas en un año, suponen 109. Estas cifras exigenuna capacidad de almacenamiento en cinta entre 3 y 10PB y en disco entre 1 y 6 PB por cada uno de los expe-rimentos. Para dar una idea de lo que esto representabasta recordar que un CD contiene aproximadamente0,7 GB y que por lo tanto la información que porexperimento y año debería almacenarse equivale a unapila de CDs de 20 km de altura. La capacidad de cálcu-lo necesaria para procesar este colosal volumen deinformación equivale a unos 100 000 PCs de últimageneración.

La necesidad de hacer accesible a una importantecomunidad de usuarios, varios miles, esta información,así como las herramientas de procesado indispensables,está en el origen del proyecto LHC Computing Grid,(LCG) que ha puesto en marcha el CERN para posibi-litar el cálculo distribuido en centenares de centros deinvestigación de grandes volúmenes de datos ubicadosen plataformas geográficamente distribuidas. Un ele-mento esencial para el funcionamiento de la estructurajerarquizada de la computación científica GRID parael LHC será la conectividad entre los principales cen-tros y cuyas necesidades se evalúan en 6–12 Gbps.

Con objeto de asegurar una participación competi-tiva de los grupos españoles (muy activos en la cons-

trucción de los detectores ATLAS, CMS y LHCb) en elanálisis de la ingente cantidad de datos que produciránlos experimentos en el LHC se ha creado en laUniversidad Autónoma de Barcelona un Centro deCompetencia Científico Técnica (PIC/Puerto deInformación Científica) para el desarrollo de tec-nologías informáticas GRID, auspiciado por laGeneralitat de Catalunya, el Instituto de Física de AltasEnergías de Barcelona, la Universidad Autónoma deBarcelona y el CIEMAT. Este centro vertebrará enEspaña la infraestructura de la computación científicapara el LHC.

No es aventurado anticipar que, a tenor de los datosesbozados en párrafos anteriores, la investigación en elLHC será extremadamente exigente, ciertamente alnivel de las cuestiones profundas que este gran proyec-to pretende clarificar.

Recuadro VI

PRESENCIA ESPAÑOLA EN LOS GRUPOSDEL CERN

En la actualidad el programa experimental del coli-sionador LEP está en la fase final de análisis de losdatos. En tres de los cuatro experimentos hay partici-pación española: el IFAE de la Universidad Autónomade Barcelona en ALEPH, el IFIC de la Universidad deValencia y el IFCA de la Universidad de Cantabria enDELPHI, el CIEMAT de Madrid en L3.

En LHC se está en plena fase de construcción eintegración de detectores y en el desarrollo de las he-rramientas de cálculo científico. En tres de los cuatroexperimentos aprobados hay participación española: elCIEMAT de Madrid, el IFCA de la Universidad deCantabria, la Universidad de Oviedo y la UniversidadAutónoma de Madrid en CMS, el IFAE de laUniversidad Autónoma de Barcelona, el IFIC de laUniversidad de Valencia y la Universidad Autónomade Madrid en ATLAS, la Universidad de Barcelona yla Universidad de Santiago de Compostela en LHCb.

El experimento DIRAC del PS está en la fase deanálisis de datos a la espera de una posible contin-uación. En él participa la Universidad de Santiago deCompostela.

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2007; 101Manuel Aguilar Benítez de Lugo200

El experimento HARP del PS está en la fase finalde análisis de datos. En él participa el IFAE de laUniversidad Autónoma de Barcelona y el IFIC de laUniversidad de Valencia.

El experimento CAST está en la fase de toma yanálisis de datos. En él participa la Universidad deZaragoza.

El experimento ICARUS del proyecto CNGS estáen fase de construcción. En él participa la Universidadde Granada.

En la serie de experimentos realizados en n-TOF seestá en la fase de análisis de datos a la espera de una

posible continuación. Participan la UniversidadPolitécnica de Barcelona, el CIEMAT y la UniversidadPolitécnica de Madrid, la Universidad de Sevilla, laUniversidad de Santiago de Compostela y el IFIC de laUniversidad de Valencia.

En distintos experimentos en ISOLDE participangrupos del CSIC, el IFIC de la Universidad deValencia, la Universidad de Sevilla y la Universidad deHuelva.

En relación con el programa acelerado de I+D parael colisionador CLIC de muy alta energía, el CIEMATparticipa en esta iniciativa coordinando la actividad dediversas empresas.

Manuel Aguilar Benítez de Lugo Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2007; 101 201