Así funcionan las cámaras de burbujas, el gran detector de los 70 que anticipaba los aceleradores de partículas

La búsqueda de partículas subatómicas existía antes de los aceleradores de partículas masivas del CERN. Invisible al microscopio los físicos tenían que averiguar cómo detectarlos y visualiza tu trayectoria. En 1952, Donald A. Glaser Inventó la cámara de burbujas, similar a la cámara de niebla, pero donde las partículas dejaban un rastro de burbujas en un líquido ardiente a punto de hervir.

Así funcionan las cámaras de burbujas, preludio de los aceleradores de partículas y del mundo digital.. La diferencia entre uno y otro es abismal. Que hoy Gran Colisionador de Hadrones es capaz de capturar en menos de 2 horas, equivalente a lo que se generó durante 11 años en la Gran Cámara de Burbujas Europea (BEBC), la primera cámara de burbujas del CERN en comenzó en 1973.

Con la tecnología actual, es relativamente factible manejar esta gran cantidad de datos, pero 6.3 millones de imágenes de la cámara de burbujas permitió, entre otros descubrimientos, verificar la existencia de la fuerza nuclear débil. Un descubrimiento realizado gracias a estas peculiares cámaras para detectar partículas subatómicas.

Cámara de burbujas de Fermilab y sus 4,6 metros, inaugurada en 1973. Imagen: Fermilab

El mecanismo de la cámara de burbujas se basa en la relación entre el punto de ebullición y la alta presión. Cuando la presión sobre el líquido se reduce repentinamente, el líquido se sobrecalienta y las partículas que atraviesan el líquido dejan un rastro de burbujas que pueden seguir los científicos.

El trabajo de los físicos es fotografiar y analizar con precisión los rastros de partículas de alta velocidad. La clave de estas cámaras de burbujas es que la densidad del medio líquido es alta y, por lo tanto, generalmente existe una mayor probabilidad de colisión. Durante la década de 1960, estas cámaras de burbujas fueron tan útiles para la física nuclear como lo son hoy los aceleradores de partículas.

La física detrás de las cámaras de burbujas

Analizando el rastro de las partículas detectadas en una cámara de burbujas. Imagen: Biblioteca CERN

La leyenda explicó que Donald Glaser se inspiró en las cámaras de burbujas de cerveza, pero lo cierto es que el Premio Nobel de Física de 1960 desmintió la historia durante una conferencia, matizando que en algún momento vino a usar cerveza como líquido calefactor. El experimento no funcionó porque necesitaba un líquido con baja tensión superficial para que aparezcan las burbujas. Inicialmente se utilizaron tubos de reactivos, pero rápidamente aumentaron de tamaño y se decantaron por elementos como el hidrógeno líquido.

Las partículas cargadas eléctricamente crean un camino de ionización. Alrededor de esta etapa, el líquido se vaporiza y forma pequeñas burbujas microscópicas. La idea es que la densidad de las burbujas alrededor de cada línea sea proporcional a la pérdida de energía de la partícula. Información que nos ayudará a conocer detalles al respecto.

Rastros dejados por partículas subatómicas en una cámara de burbujas. Imagen: CERN

A esto debemos agregar que toda la cámara está sujeta a un campo magnético constante, que hace que las partículas cargadas viajen en una trayectoria helicoidal, cuyo radio está determinado por la velocidad y la relación carga-masa. Es decir, dependiendo de la curvatura que tengamos en la imagen, podemos determinar las propiedades físicas de la partícula.

A medida que la cámara se expande, las burbujas aumentan de tamaño, lo que facilita verlas y fotografiarlas. Precisamente en la cámara de burbujas hay una serie de cámaras que le permiten capturar una imagen tridimensional.

La cámara de burbujas confirmó la existencia de una fuerza nuclear débil. Imagen: Gargamel / CERN

Entre los descubrimientos más importantes de las cámaras de burbujas, encontramos desde el corriente neutra débil con neutrinos, Origen de la teoría de la fuerza nuclear débil y el descubrimiento de los bosones W y Z, hasta experimentos recientes en la búsqueda de partículas masivas de interacción débil, el llamado ENDEBLE.

BEBC y Gargamelle: máquinas CERN en los años 70

Gran Cámara de Burbujas Europea, construida en 1966 por el CERN. Imagen: Wikimedia

Las primeras cámaras de burbujas eran muy pequeñas, pero con el acercamiento de la década de 1980 comenzaron a contener hasta 20 metros cúbicos de líquido. Más de 100 de estas cámaras de burbujas se construyeron en todo el mundo., donde a pesar de utilizar grandes imanes superconductores, su costo era varios órdenes de magnitud menor que el de los aceleradores de partículas.

Algunas de las cámaras más reconocidas son las Hidrógeno CERN, con solo 30 centímetros; los Cámara de Saclay, con 81 centímetros; el de a dos metros del CERN y finalmente el BEBC (‘Big European Bubble Chamber’), construida a principios de la década de 1970, con un diámetro de 3,7 metros y siendo uno de los proyectos más importantes de la época en el campo de la física de altas energías.

La Gran Cámara de Burbujas Europea fue equipada en la década de 1970 con el imán superconductor más grande de la época. Imagen: Mensajero del CERN

BEBC fue un bote grande de acero inoxidable, 4 metros de altura y 35 metros cúbicos de líquido (hidrógeno, deuterio o una mezcla de neón e hidrógeno). Con un pistón enorme de dos toneladas, la sensibilidad estaba regulada. En 1973, después de instalar el imán superconductor más grande de la época (3,5 toneladas) se grabaron las primeras imágenes. En el 1977, la cámara de burbujas fue expuesta a rayos de neutrinos con energías de hasta 450 GeV.

Otra de las cámaras de burbujas más importantes fue Gargamel, también construido en el CERN y centrado en la detección de neutrinos. Con 4,8 metros de largo y 2 metros de diámetro, era un poco más pequeño que el BEBC. En el interior, se utilizaron 12 metros cúbicos de freón líquido pesado (CF3Br). Gracias a esta experiencia, entre 1972 y 1974, evidencia de quarks, una de las partículas constituyentes de protones y neutrones.

El mayor de todos fue construido en el Fermilab (‘Fermi National Accelerator Laboratory’) en Illinois. Con unos 15 pies (4,6 metros) de diámetro, se considera la cámara de burbujas más grande de todos los tiempos, antes de dar paso a otros tipos de construcción. En tu momento se consideró la fabricación de una cámara de 25 pies (unos 7,6 metros), pero debido, entre otros aspectos, a dudas técnicas sobre el neón que iban a utilizar, no se llevó a cabo.

Técnicos del CERN en el interior de la cámara de burbujas de Gargamelle, en los años 70. Imagen: Biblioteca CERN

La construcción de estas cámaras de burbujas tuvo un gran impacto en la reconstrucción del estudio de la física en Europa después de la Segunda Guerra Mundial. A diferencia de años posteriores, cuando el CERN se estableció en Ginebra y los proyectos se volvieron cada vez más ocupados, las cámaras de burbujas aún podían transportarse fácilmente.

A se consideran cámaras de burbujas uno de los principales ingredientes del éxito del CERN. Fue esta simbiosis entre el CERN y la comunidad de laboratorios la que impulsó la colaboración entre investigadores y sentó las bases para la cooperación internacional que posteriormente ha sido uno de los pilares de proyectos como los grandes aceleradores de partículas.

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