No hay riesgo de explosión asociado con el helio superfluido del LHC

Se ha sugerido que podría haber cierto riesgo asociado con el sistema criogénico de helio líquido del LHC.

El tema en discusión en si es posible que ocurriese o no un tipo de evento relacionado con un fenómeno conocido como “Bosenova” dentro del helio líquido, dado que el líquido superfluido ⁴He es un tipo de condensado Bose. Ha habido distintas sugerencias de que los eventos de Bose-nova son en realidad señales de un nuevo tipo de fusión nuclear fría.

El helio líquido es una sustancia con una larga historia de uso, y absolutamente ninguna explosión espontánea en la historia. El único peligro listado por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de los Estados Unidos es que es un “asfixiante simple”. Se licuó por primera vez en 1908, y se usa rutinariamente en todos los departamentos de física del mundo en experimentos de materia condensada. Además se ha usado en física de alta energía como diana en cámaras de burbujas por lo que el ejercicio de un rayo impactando en helio líquido se ha repetido millones de veces sin ningún incidente. Un ejemplo reciente es el uso de helio líquido como diana en el Laboratorio Japonés RIKEN.

Un condensado Bose-Einstein (BEC) puede formarse cuando las longitudes de onda de de Broglie de las partículas individuales se hacen más grandes que su separación típica, y los átomos se condensan en una entidad que muestra una dinámica colectiva. Desde la primera producción de un BEC a mediados de la década de 1990, se han hecho considerables progresos en el control y manipulación de las fuerzas interatómicas entre los átomos que forman los condensados usando campos magnéticos. En particular, los campos magnéticos cercanos a una resonancia de Feshbach de los átomos en cuestión pueden llevar a grandes cambios en la cantidad de repulsión o atracción entre los átomos.

Una resonancia de Feshbach tiene lugar cuando la energía cinética asociada con el estado de dispersión entre dos átomos es degenerada por la energía de un estado molecular ligado de esos dos átomos. La fuerza de los campos magnéticos puede ser ajustada de forma que esta degeneración tenga lugar en sistemas atómicos en los que los estados ligados y no ligados posean distintos desplazamientos de Zeeman. Por tanto, ajustar la interacción interatómica de repulsiva a atractiva requiere una resonancia de Feshbach, la cual sólo tiene lugar si el átomo tiene una estructura hiperfina.

En 2001, unos investigadores usaron la resonancia de Feshbach para controlar la atracción interatómica entre los átomos de un condensado Bose-Einstein de átomos de rubidio y fueron capaces de inducir una implosión del condensado con el resultado de tener los átomos abandonando rápidamente la conglomeración, apodada “Bose-nova” por los autores.

Posteriores estudios investigaron la dinámica de las explosiones como una función de la velocidad de la variación del campo magnético. Colapsos similares tuvieron lugar en un condensado Bose-Einstein formado a partir de átomos de litio donde las fuerzas interatómicas son atractivas de forma natural con un campo magnético de fuerza cero.

El origen del estallido se comprende bien así como que se debe a la liberación de energía cinética de picos locales en la densidad atómica que se forma durante el colapso. Un componente adicional de los átomos liberado durante un colapse surge a partir de las colisiones inelásticas entre las moléculas formadas en la resonancia de Feshbach y otros átomos y moléculas, que se hacen más importantes conforme la densidad incrementa en un colapso. No existen reacciones nucleares implicadas en esta explicación generalmente aceptada.

El fenómeno del colapso no es relevante para el caso del ⁴He. El ⁴He no tiene una estructura hiperfina dado que los electrones están en las órbitas de ondas ‘s’ y no tienen electrones desemparejados, y además tiene un espín nuclear cero. Ajustando la división hiperfina es como se pueden cambiar las propiedades de los átomos con campos magnéticos, por lo que la configuración de los electrones y el espín nuclear cero en el ⁴He indica que no existe efecto Zeeman y por tanto tampoco resonancia Feshbach. La longitud de dispersión del ⁴He se mantiene positiva en todas las fuerzas de campos magnéticos, mientras que la longitud de dispersión negativa sería requerida para crear una Bose-Nova.

La liberación de energía de enlace químico asociada con la formación de moléculas en las interacciones de 3 cuerpos no es posible debido a la inactividad química del ⁴He. Los estados ligados del ⁴He se mantienen unidos por las fuerzas débiles de Van der Waals, pero la energía de enlace que podría ser liberada en la formación de tales enlaces correspondería a menos de una milésima parte de la energía térmica del helio a 1,9 K.

Incluso si algo desconocido para la ciencia provocase que el helio colapsara o formase moléculas, esto simplemente calentaría el helio hasta que no fuese un superfluido.

El sistema de helio del LHC está específicamente diseñado para disipar el calor. Los imanes y criogenia del LHC están bien preparados para una situación similar en la que el imán se convierta de pronto en un no superconductor, liberando la energía del campo magnético almacenado. El ⁴He líquido a 1,9K tiene un calor y conductividad térmica muy específicas (entre 10⁵ y 10⁴ veces la del cobre respectivamente) por lo que cualquier energía calórica será rápidamente disipada. Una entrada de energía procedente del rayo en el refrigerante de helio líquido calentaría el helio, obviando la posibilidad de que se forme ningún estado condensado como se requeriría para instigar una Bose-Nova. Los imanes del acelerador Tevatron en el Fermilab de los Estados Unidos son superconductores y también emplean helio líquido. Estos imanes han estado funcionando durante más de una década sin problemas, así como otros muchos aceleradores superconductores.

Al contrario que las supernovas astrofísicas, el resultado final de una Bose-Nova no puede ser un agujero negro. Los agujeros negros con masas mejores que la escala de Planck observada se han propuesto como posibilidades en teorías que contienen dimensiones extra. Las implicaciones de seguridad de este tipo de agujeros se consideró en J. Ellis, G. Giudice, M. L. Mangano, I. Tkachev and U.Wiedemann, “Review of the Safety of LHC Collisions (Revisión de la seguridad de las colisiones del LHC)”.

Para ser consistentes con la no observación de tales objetos, la escala de Planck fundamental debe estar en o por encima de la escala de energía de TeV. La energía del colapso de una Bose-Nova es demasiado pequeño por al menos 14 órdenes de magnitud para crear un agujero negro incluso en estas especulativas teorías de escala de Planck baja. Finalmente, abordamos la especulación de que los eventos de Bose-nova son en realidad señales de un tipo de fusión nuclear fría. La fusión a bajas temperaturas ha sido convincentemente refutada por la comunidad física debido a la repulsión de Coulomb de los núcleos cargados. Estos argumentos se aplican igualmente a cualquier fenómeno que tenga lugar en el helio líquido o en el ⁸⁵Rb en el experimento original de Bose-Nova. No existe una reacción sostenible posible en ninguno de los componentes del LHC (ninguno de los componentes de la línea de rayo del LHC son fisibles). Simplemente no hay forma de que un rayo perdido pueda “encender” el helio.

Incluso si alguna fantástica violación física en la Mecánica Cuántica de alguna forma permitiese que las moléculas de helio pasaran por un colapso del tipo Bose-nova con un resultado de reacción nuclear, el helio no tiene productos nucleares permitidos en ninguna fusión de dos cuerpos o modo de dispersión exotérmico. La única reacción nuclear pura que puede sufrir el helio es la de tres cuerpos, 3 ⁴He à ¹²C, un proceso que es proporciona al cubo de la densidad, y que sólo tiene lugar en el interior de los densos núcleos de las viejas y masivas estrellas. No puede tener lugar una combustión nuclear mantenida a las presiones y densidades usadas en el CERN.

En conclusión, no existe sugerencia, ya sea científica, especulativa o de otro tipo, de que algo peligroso pueda tener lugar en el sistema de refrigeración de helio del LHC. La experiencia de cien años de uso en todo tipo de experimentos físicos, así como en la física de partículas de alta energía, indican más allá de toda duda razonable que el helio es seguro y no puede sufrir ningún tipo de explosión catastrófica imprevista.

---

Autor: Malcolm Fairbairn y Bob McElrath
Fecha Original: 23 de septiembre de 2008
Enlace Original

Vía: Ciencia Kanija