Sonificación: escuchando la música de las partículas en el LHC

El Large Hadron Collider o Gran Colisionador de Hadrones, más conocido como LHC, es el colisionador de partículas más grande y poderoso del mundo, además de ser el instrumento experimental más grande jamás construído. Perteneciente al CERN, Organización Europea para la Investigación Nuclear, es una circunferencia de 27 kilómetros, ubicada 175 metros debajo de la frontera entre Francia y Suiza, donde se realizan los experimentos más energéticos hasta ahora. Se busca, principalmente, descubrir diversas partículas que hasta el momento son sólo hipotéticas: la física teórica de partículas muestra que deberían existir, pero aún no han sido detectadas experimentalmente. Algunos ejemplos son el ya famoso Bosón de Higgs, del cual se han descubierto fuertes candidatos, y el pentaquark, el cual puede haber sido descubierto hace una semana, pero aún falta confirmación.

Una sección del LHC. Imagen vía CERN.
Una sección del LHC. Imagen vía CERN.

En el LHC, distintas partículas viajan a velocidades un 99.9999991% de la velocidad de la luz, el límite máximo de velocidad en el universo. Esto, ya que para detectar las subpartículas que se quieren descubrir, partículas más grandes deben chocar a niveles altísimos de energía. Sólo así pueden, al chocar, emitir sus partículas más pequeñas, que son las que se busca detectar en estos experimentos.

La forma en que se toman los datos de cada experimento permiten transformar los resultados a sonidos, mediante un proceso llamado sonificación. A continuación te explicamos cómo funciona, y presentamos algunos ejemplos de las melodías que generan las partículas al viajar y chocar en este extenso túnel.

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¿Cómo se procesan los resultados del LHC?

En el LHC, ocurren alrededor de 600 millones de colisiones de partículas por segundo. Si bien los resultados de todas estas colisiones son almacenados, sólo 1 en cada millón de colisiones es de interés científico. Diferenciar entre los resultados interesantes y el llamado “ruido” es un paso necesario antes de comenzar a analizar los resultados; de otra forma se perderían tiempo y recursos valiosos en estudiar información que finalmente no será relevante.

El resultado de cada colisión entre partículas se denomina un “evento”. Los eventos de cada experimento son pasados a través de un filtro, el cual deja sólo la información que tiene una alta probabilidad de venir de interacciones inusuales e interesantes entre las distintas partículas. Esta preselección filtra 1 de cada 10.000 eventos. Luego, un segundo filtro es aplicado, donde se seleccionan 1 de cada 100 eventos. Los resultados de este segundo filtro son los datos que se consideran, realmente, interesantes, y son enviados al CERN para ser analizados.

A modo de ejemplo: el experimento ATLAS del LHC genera 40 millones de eventos por segundo, pero de todos estos, sólo alrededor de 200 son considerados realmente interesantes, y son los que se almacenan finalmente.

Estos datos de eventos relevantes son almacenados en los llamados root files: un tipo de archivo binario que permite un alto nivel de compresión. Esto debido a que la cantidad de información, a pesar de haber sido filtrada, sigue siendo enorme.

Aquí, un entretenido video del CERN que grafica cómo ocurre todo este proceso:

¿Qué es la sonificación?

La sonificación corresponde al proceso de transformar datos numéricos en audio. Esta representación distinta de los datos muchas veces permite complementar la visualización de la información, la manera en que vemos e interpretamos los resultados de un experimento.

Si bien no existen métodos estándar para la sonificación de datos, esta puede ser útil de diversas maneras. Por ejemplo, los contadores Geiger usan la frecuencia en el sonido que emiten para señalar el nivel de radiación de la zona donde se están utilizando.

¿Cómo sonificamos las partículas del LHC?

Los root files que almacenan los eventos finales del LHC contienen columnas de números con distintos significados físicos, como la energía detectada o el ángulo entre 2 partículas al momento de la colisión. Estos archivos, con columnas de números, son excelentes candidatos para pasar por software de sonificación. Lo que se hace para transformar columnas de números en sonido es asignar, a cada propieda física, una propiedad del sonido. Esta técnica se conoce como parameter mapping, o mapeo (asignación o equivalencia) de parámetros.

Ya mencionamos que cada columna de estos archivos es una propiedad física del momento de la colisión: la energía de cada partícula, el ángulo entre ellas, etc. Cada archivo puede tener entre 3 y 10 columnas, dependiendo de cuántas sean las propiedades físicas que son interesantes para estudiar en una determinada colisión. Además, cada uno de estos archivos almacenará varios miles de líneas, cada una correspondiente a un evento.

El mapeo de parámetros puede asignar, por ejemplo, que el parámetro físico que mide la energía de la partícula 1, corresponderá a la altura o al tono del sonido. Aquí se realiza el mapeo: transformación matemática que permite que nuestra propiedad sonora escale igual que la propiedad física. Las variaciones en energía de una partícula se traducirán a variaciones en la altura del sonido, o de cualquier otra propiedad sonora que hayamos decidido asignarle.

Es así como se producen sonidos y melodías que parecen futuristas e intrigantes, como estas, obtenidas a partir de datos del Bosón de Higgs:

Las partículas se van… al festival de jazz

Esta semana, las melodías de partículas del LHC hicieron su aparición en sociedad, nada más y nada menos que en el Festival de Jazz de Montreux.

A una explicación de cómo funciona el proceso de sonificación le siguió la improvisación del pianista de jazz Al Blatter, quien formó un dueto jazzístico, junto a las partículas.

Aquí, la improvisación completa de Al Blatter, a dúo con el LHC. El piano es en vivo, el resto corresponde a la sonificación de los eventos del LHC:

Una nueva forma de ver y sentir la física

Esta iniciativa es parte del proyecto “DisCERN”, ala del CERN que busca complementar la forma en que los datos científicos son presentados al público. Su objetivo es construir puentes entre dos mundos que, generalmente, se mantienen completamente separados: la ciencia y el arte.

Montreux_Poster_2015

Links de interés

LHC sound: sonification of the ATLAS detector data — CERN
Physics and music collide at the Montreux Jazz Festival

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3 thoughts on “Sonificación: escuchando la música de las partículas en el LHC

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