Así funcionan las cámaras de burbuja, el gran detector de los años 70 que anticipó los aceleradores de partículas

La búsqueda de partículas subatómicas existía desde antes de los enormes aceleradores de partículas del CERN. Invisibles a través del microscopio, los físicos han tenido que ingeniárselas para poder detectarlas y visualizar su trayectoria. En 1952, Donald A. Glaser inventó la cámara de burbujas, similar a la de niebla pero donde las partículas dejaban un rastro de burbujas en un líquido ardiendo a punto de hervir.

Así funcionan las cámaras de burbuja, la antesala de los aceleradores de partículas y el mundo digital. La diferencia entre unos y otros es abismal. Lo que hoy en día el Large Hadron Collider es capaz de capturar en menos de 2 horas, equivale a lo que durante 11 años se generó en el Big European Bubble Chamber (BEBC), la primera cámara de burbujas del CERN que inició su andadura en 1973.

Con la tecnología actual es relativamente factible manejar esa gran cantidad de datos, pero los 6,3 millones de imágenes de la cámara de burbujas permitieron entre otros descubrimientos comprobar la existencia de la fuerza nuclear débil. Un hallazgo logrado gracias a estas peculiares cámaras de detección de partículas subatómicas.

El mecanismo de la cámara de burbujas se basa en la relación del punto de ebullición con la alta presión. Cuando la presión sobre el líquido se reduce repentinamente, el líquido se sobrecalienta y las partículas que pasan a través del líquido dejan un rastro de burbujas que puede ser seguido por los científicos.

El trabajo de los físicos consiste en fotografiar y analizar con precisión los trazados de las partículas de alta velocidad. La clave de estas cámaras de burbuja es que la densidad del medio líquido es alta y por tanto suele haber mayor probabilidad de colisión. Durante los años 60, estas cámaras de burbujas fueron tan útiles para la física nuclear como lo son hoy en día los aceleradores de partículas.

La física detrás de las cámaras de burbuja

La leyenda explicaba que Donald Glaser tuvo la inspiración de las cámaras de burbuja en la cerveza, pero lo cierto es que el propio Premio Nobel de Física de 1960 desmintió durante una charla la historia, matizando eso sí que en algún punto llegó a utilizar cerveza como líquido para calentar. El experimento no funcionó, pues necesitaba un líquido con una baja tensión superficial para que aparecieran las burbujas. Inicialmente se utilizaron tubos de ensaño, pero rápidamente fueron incrementando su tamaño y apostando por elementos como hidrógeno líquido.

Las partículas con carga eléctrica crean una pista de ionización. Alrededor de este paso, el líquido se vaporiza y forma pequeñas burbujas microscópicas. La idea es que la densidad de burbujas alrededor de cada trazado es proporcional a la pérdida de energía de la partícula. Un dato que nos servirá para conocer detalles sobre esta.

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

A medida que la cámara se expande, las burbujas aumentan de tamaño, lo que facilita su visión y la posibilidad de ser fotografiadas. Precisamente en la cámara de burbujas hay situadas una serie de cámaras que permiten capturar una imagen tridimensional.

Entre los descubrimientos más importantes de las cámaras de burbuja encontramos desde la corriente neutral débil con neutrinos, origen de la teoría de la fuerza nuclear débil y el descubrimiento de los bosones W y Z, hasta recientes experimentos en la búsqueda de partículas masivas de interacción débil, las llamados WIMP.

BEBC y Gargamelle: las máquinas del CERN en los 70

Las primeras cámaras de burbuja eran muy pequeñas, pero al acercarse los años 80 empezaron a contener hasta 20 metros cúbicos de líquido. En todo el mundo se construyeron más de 100 de estas cámaras burbuja, donde pese a utilizar grandes imanes superconductores, su coste era varios órdenes de magnitud inferior al de los aceleradores de partículas.

Algunas de las cámaras más reconocidas son la del CERN de hidrógeno, con solo 30 centímetros; la cámara de Saclay, con 81 centímetros; la de dos metros del CERN y finalmente el BEBC (‘Big European Bubble Chamber’), construido a principios de los años 70, con un diámetro de 3,7 metros y siendo uno de los proyectos más importantes de la época en el campo de la física de altas energías.

El BEBC era una gran vasija de acero inoxidable, con 4 metros de altura y 35 metros cúbicos de líquido (hidrógeno, deuterio o una mezcla de neón e hidrógeno). Con un enorme pistón de dos toneladas se regulaba la sensibilidad. En 1973, tras instalar el imán superconductor más grande de la época (3,5 toneladas) se registraron las primeras imágenes. En 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 Gargamelle, también construida en el CERN y orientada a detectar neutrinos. Con 4,8 metros de longitud y 2 metros de diámetro, era ligeramente más pequeño que el BEBC. En su interior se utilizaban 12 metros cúbicos de freón líquido pesado (CF3Br). Gracias a este experimento, entre 1972 y 1974 se obtuvieron evidencias de la existencia de los quarks, una de las partículas constituyentes de los protones y neutrones.

El más grande de todos se construyó en el Fermilab (‘Fermi National Accelerator Laboratory’), en Illinois. Con unos 15 pies (unos 4,6 metros) de diámetro, está considerada la cámara de burbujas más grande de todos los tiempos, antes de dar paso a otro tipo de construcciones. En su momento, se consideró fabricar una cámara de 25 pies (unos 7,6 metros), pero debido, entre otros aspectos, a dudas técnicas con el neón que iban a utilizar no se llevó a cabo.

La construcción de estas cámaras de burbujas tuvo una importante repercusión en la reconstrucción del estudio de la física en Europa después de la Segunda Guerra Mundial. Al contrario que en los años posteriores, donde el CERN se estableció en Ginebra y los proyectos ocupaban cada vez más, las cámaras de burbuja todavía podían ser fácilmente transportadas.

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

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