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Archive for the ‘LHC’ Category

Las diez claves para entender (por fin) el éxito del LHC

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Big bang, hadrones, colisiones de partículas, agujeros negros… O peor aún, un enjambre de siglas: LHC, CERN, TeV, GRID… Si está harto de oír hablar de la «máquina de Dios» y todavía se pierde, aquí va un modesto intento por resolverle todas sus dudas. No es fácil, lo reconocemos, pero estas diez claves le darán algunas pistas

EL LHC


1. ¿Qué es el LHC?
Es un colisionador de partículas subatómicas construido en Ginebra (Suiza) por el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) y financiado por 70 países. Se trata de la mayor máquina jamás hecha por el hombre. Ha costado 7.000 millones de euros y, básicamente, consta de un anillo subterráneo principal de 27 kilómetros de circunferencia, cuatro aceleradores secundarios y cuatro sensores o experimentos.

2. ¿Para qué sirve?
Los científicos esperan corroborar el Modelo Estándar –un compendio de teorías sobre las partículas y fuerzas fundamentales– y dar respuesta a las grandes incógnitas de la Física, entre ellas, qué partícula da masa a la materia (el teórico bosón de Higgs), cómo es la materia oscura o dónde está la antimateria. También ayudará a elaborar una teoría de las fuerzas gravitatorias y a resolver el problema de la supersimetría, una hipótesis sobre la existencia de grandes partículas-espejo que conforman la materia oscura y ocupan un 23% del Universo. Otro 73% está ocupado por la energía oscura y sólo un 4% es visible.

3. ¿Con qué partículas trabaja?
Un hadrón es una partícula formada por quarks, los bloques fundamentales de la materia más pequeños descubiertos. El LHC funciona con dos tipos de hadrones: protones de hidrógeno –átomos del elemento al que se le han extraído los electrones– e iones –átomos cargados con electrones extra– de plomo.

4. ¿Cómo funciona?
En el caso de los protones, se producen en la máquina Linac2 y se inyectan en el acelerador PS a una energía de 50 millones de electrón-Voltios (eV). El PS los acelera hasta 1.400 millones de eV y los transfiere al Sincrotrón Súper Protón (similar al Sincrotrón recientemente inaugurado en Barcelona), donde adquieren una energía de 450.000 millones de eV. De ahí pasan ya a cada uno de los dos anillos del LHC, cada uno en una dirección opuesta. Cada anillo tarda en llenarse cuatro minutos y 20 segundos. Los dos haces de protones se aceleran durante 20 minutos hasta alcanzar 3,5 billones de eV cada uno.

5. ¿Cómo se consiguen acelerar?
Las partículas ya viajan al 99,9997828% de la velocidad de la luz en el momento en que son inyectadas. A máxima potencia, su velocidad “sólo” ha aumentado hasta el 99,9999991%. Sin embargo, su energía se habrá multiplicado casi ocho veces, desde los 450.000 millones de eV o 450 GeV, hasta los 3,5 billones de eV o 3,5 TeV. Para ello se utilizan 9.600 enormes imanes superconductores, que además mantienen el haz en su trayectoria circular.

6. ¿Con qué se puede comparar la energía de la colisión?
Un mosquito volando produce una energía cinética de alrededor de 1 TeV. Lo que hace tan extraordinario el LHC es que es capaz de concentrar esa energía en el espacio de una billonésima parte del tamaño de un mosquito.

7. ¿En qué condiciones se producen los choques?
En el momento del choque, se generan temperaturas de más de 100.000 veces las del centro del Sol, que arde a 15 millones de grados. El helio superfluido que rodea a los anillos mantiene la atmósfera de vacío interior a -271,3 grados, menos de dos grados por encima del cero absoluto. Cada haz de protones está formado por 3.000 racimos de 100.000 millones de partículas cada uno. En cada intersección se produce una colisión por cada 1.000 millones de protones. Los racimos se cruzan 30 millones de veces por segundo, de forma que se producen 600 millones de colisiones por segundo. Los haces giran a más de 11.000 revoluciones por segundo durante 10 horas seguidas, luego se recambia.

8. ¿Dónde se producen las colisiones?
Los dos anillos del LHC se cruzan en cuatro intersecciones, en cada una de las cuales se sitúan los sensores o experimentos principales de la instalación. El Atlas (A Toroidal LHC Apparatus) es el principal. Se trata del mayor detector nunca construido y su propósito es múltiple, desde la detección del bosón de Higgs hasta la supersimetría y las dimensiones ocultas. Alice (A Large Ion Collider Experiment) medirá las colisiones de iones de plomo. Tratará de definir el plasma quark-gluón, un estado de la materia en el que ambas partículas elementales no están confinadas en ningún hadrón, tal y como debió suceder en el Big Bang, antes de que protones y neutrones se crearan y se unieran formando átomos. El CMS (Compact Muon Solenoid) tiene fines parecidos al del Atlas, pero con un diseño diferente que genera un campo magnético de 4T, 100.000 más potente que el de la propia Tierra. Por último, el LHCb (LHC-beauty) LHCb se centra en el estudio de la ligera asimetría que se da entre la materia y la antimateria en las interacciones de partículas que contienen el quark B.

9. ¿Qué se hace con los datos recopilados?
Una red supercomputacional denominada GRID se encargará de procesar y publicar los datos entre cientos de universidades y laboratorios repartidos por el mundo. La información generada durante los dos años que se prevé esté operativo el LHC llenarían 400.000 discos DVD. Los primeros resultados se esperan para después del verano, aunque se tardará años en analizar todos los datos proporcionados por los cuatro experimentos.

10. ¿Cuál es la participación española?
Unos 400 científicos españoles participan en el LHC, coordinados por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider 2010 gestionado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) que reúne a 26 grupos de investigación. España es el quinto país que más contribuye al proyecto. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC) de la Universidad de Valencia participa en el Atlas, y el Instituto de Física de la Universidad de Cantabria (IFCA), en el CMS.
(fuente: larazon.es )

Written by g33kca

marzo 31, 2010 at 2:36 am

Publicado en Geek News, LHC

El LHC moviliza una capacidad de procesamiento de datos inédita en España

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Siete centros científicos españoles contribuyen a partir de hoy a procesar los 15 Petabytes (millones de Gigabytes) de datos que producirán al año el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de Ginebra y sus cuatro detectores (CMS, Atlas, Alice y LHCb).
Para repartir el trabajo y hacer que los resultados del experimento estén al alcance del mayor número posible de científicos, la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) ha decidido descentralizar el procesamiento de datos en una red de ordenadores que, a día de hoy, cuenta con 100.000 núcleos de procesador a su servicio, repartidos en “Tiers” por todo el mundo.
España cuenta con tres “Tiers-2” -o centros de proceso de datos de nivel nacional- dedicados a los detectores CMS, Atlas y LHCb.
Participan en la tarea el Instituto de Física de Cantabria (IFCA) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medio Ambientales y Tecnológicas (CIEMAT) como Tier-2 de CMS; el Institut de Física d’Altes Energies (IFAE) de la Universidad Autónoma de Barcelona, el Instituto de Física Corpuscular de Valencia (IFIC) y la Universidad Autónoma de Madrid como Tier-2 del Atlas; y las Universidades de Barcelona y de Santiago de Compostela como Tier-2 del LHCb.
“La idea es poner recursos en la red disponibles entre distinta gente e intentar compartirlos, de forma que si necesitas picos de actividad puedas aprovecharlo. Esto se está usando bastante en fusión nuclear, aunque a una escala todavía más baja, para proyectos como ITER (el reactor europeo de fusión)”, ha explicado a Efe el director del IFCA, Francisco Matorras.
Si es necesario contar con toda su potencia de proceso de datos, sólo el IFCA pondrá al servicio del experimento desde Santander 420 procesadores Pentium Xeon de cuatro núcleos (1.680 núcleos en total), 900.000 gigabytes de capacidad de almacenamiento y una red capaz de enviar y recibir datos a 2,5 Gigabits (un ancho de banda 400 veces mayor que el que ofrece una ADSL doméstica de 6 Megas).
El director del instituto cántabro calcula que la potencia total de tratamiento de datos que proporcionan los centros españoles al LHC oscilará entre 3.000 y 4.000 núcleos de procesador, una capacidad informática que, además, no sólo está al servicio de sus investigadores, sino de todos los demás colaboradores del CERN.
“Creo que, a día de hoy, no hay nada comparable en cuanto a recursos de computación en España”, apunta Francisco Matorras, que insiste en que él no conoce ningún otro trabajo científico que concentre en su sólo proyecto tanta potencia informática.
Además de contar con institutos científicos de todo el mundo, el CERN ha tomado ejemplo de la experiencia de la Universidad de Berkeley (California) con el programa de búsqueda de señales de vida inteligente extraterrestre (SETI) y ha lanzado “LHC at home”.
LHC at home” -“LHC en casa“, en castellano- es una pequeña aplicación que se instala en el ordenador de quien quiera colaborar con el CERN y que aprovecha todo el tiempo que la computadora está encendida, pero sin uso, para descargarse de internet pequeños paquetes de datos, procesarlos y devolver los resultados (lhcathome.cern.ch). EFE-Cantabria (fuente: abc.es )

Written by g33kca

marzo 31, 2010 at 1:34 am

Publicado en Geek News, LHC, Twitter

La Partícula de Dios

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peter-higgs

Peter Higgs

Vamos a empezar con algo que no parece tener que ver directamente con esta misteriosa partícula fundamental, pero es seguro que llegaremos a ella a su debido tiempo, y de manera que se entienda el por qué los físicos piensan que puede existir, y por qué algunos rezan secretamente por que exista (y otros por que no exista).

Éste es un asunto complejo, y no se puede ir deprisa ni escribir un artículo breve.

En el universo hay multitud de partículas subatómicas, desde las más cotidianas, como el electrón, hasta las más extrañas como los hiperones.

Desde el momento en el que los físicos empezaron a darse cuenta de la gran cantidad de partículas que había, trataron de explicar por qué existen ésas y no otras, a qué se deben las características que tienen, qué simetrías existen (como el hecho de que el electrón tenga carga negativa y el positrón positiva), etc.

Entre 1970 y 1973 se desarrolló lo que denominamos Modelo Estándar de física de partículas.

Muchos físicos participaron en el desarrollo, basándose además en numerosas teorías anteriores.

El Modelo Estándar es una teoría cuántica de campos, que combina la mecánica cuántica con la teoría especial de la relatividad.

Es una teoría compleja, pero que establece una serie de ecuaciones matemáticas que predicen la existencia de un gran número de partículas subatómicas con distintas características y las interacciones entre ellas: analizando las ecuaciones puede concluirse qué partículas existen y cuáles no, y cómo son las que existen.

Todas las partículas conocidas hasta hoy son consecuencias inevitable de esta teoría, de ahí que se diga que son partículas “del Modelo Estándar”, y que estemos tan satisfechos con el modelo.

Además del fotón, los bosones W y Z y los gluones, el Modelo Estándar predice la existencia y propiedades de las interacciones fundamentales correspondientes – la eléctromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil.

Es decir, es un modelo muy completo y que describe muy bien el Universo que vemos.

Desde luego, sabemos perfectamente que el Modelo Estándar no es la “teoría final”.

Para empezar, la gravedad, el Modelo Estándar no la incluye.
Además, aunque no está claro dónde están los límites, parece probable que para energías muy grandes (mucho mayores que las que experimentamos en la vida cotidiana) el Modelo Estándar no es válido.

Sin embargo, estas limitaciones son conocidas desde el principio, y el Modelo Estándar es, conscientemente, una teoría parcial.

Sin embargo, antes incluso de que existiera el modelo formalmente, ya se vio un problema teórico bastante irritante:
la forma más sencilla del Modelo Estándar que podía proponerse, la que tenía el menor número de suposiciones posibles y la mayor sencillez matemática, era de una gran belleza y coherencia,….. salvo por un pequeño problema:
Según la forma sencilla del modelo, todas las partículas deberían tener MASA NULA
y MOVERSE siempre, a la velocidad de la luz.

Por supuesto, nadie supuso que la “forma simple” del Modelo fuera la correcta.
Es evidente que hay muchas partículas que SÍ que tienen masa, y que NUNCA se mueven a la velocidad de la luz.

De hecho, sólo algunas no tienen masa, y son justo ésas las que sí se mueven siempre a la velocidad de la luz.

La pregunta inmediata que se hicieron los científicos, naturalmente, fue ¿por qué?

Si la versión simple del modelo no funcionaba, es que faltaba algo más: una extensión al modelo, algún tipo de mecanismo por el que pudiera deducirse la existencia de la masa.

La respuesta a este problema fue dada por varios físicos casi al mismo tiempo, en varios equipos y de manera independiente, en 1964.
Entre ellos se encuentran Robert Brout, Francois Englert, Gerald Guralnik, C. R. Hagen, Tom Kibble y Peter Higgs.

Sin embargo, en 1971 Gerardus`t Hooft denominó al proceso por el que se deduce la existencia de la masa mecanismo de Higgs, y así seguimos llamándolo.

No olvidemos, por otro lado, que hubo muchos otros físicos involucrados en el proceso y no es justo olvidarlos, aunque Higgs fuera un paso más allá que los demás y por eso su nombre sea el que ha perdurado.

La idea de Higgs y los otros físicos que resolvieron el problema de forma similar fue la siguiente (planteada, por supuesto, sin utilizar fórmulas y de forma simple): supongamos que existe un campo nuevo, como el eléctrico o el magnético pero de una naturaleza diferente, que llena el Universo completo.

Da igual que haya cargas, masas o que no las haya — el vacío absoluto no sería realmente vacío, pues este campo hipotético (que llamamos hoy campo de Higgs) estaría en todas partes.

Explicar la naturaleza de este nuevo campo no es fácil.

De hecho en 1993 William Waldegrave, Ministro de Ciencia del Reino Unido, lanzó un desafío a los físicos británicos para que tratasen de explicar, en una sola página de texto, qué es el bosón de Higgs y por qué queremos encontrarlo: los cinco ganadores recibirían una botella de champán.

De modo que se puede realizar una analogía que ayude a entender de forma relativamente intuitiva cómo es este campo de Higgs:
Una especie de “traducción” de las ecuaciones que lo definen a una imagen mental, basada en varias de las explicaciones ganadoras del desafío.

Eso sí, el concepto es muy abstracto, de modo que debe pensarse despacio y teniendo en cuenta que es una analogía.

El espacio del Universo, según las ecuaciones establecidas por Higgs, es algo así como un campo de hierba alta.
Esta “hierba alta” existe en todos y cada uno de sus puntos, y es la “representación mental” del campo de Higgs.

Todas las hojas de hierba están dirigidas en la misma dirección, sólo que esta “dirección” no es realmente una dirección en el espacio, sino una dirección conceptual. Digamos, para seguir con la analogía, que la dirección en la que crece esta hierba es “hacia arriba”.

De acuerdo con la mecánica cuántica, no existe distinción entre ondas y partículas: toda onda es partícula y toda partícula es onda.

La cuestión es que cada una de las ondas asociadas a las partículas oscilan en una dirección determinada.
Una vez más, esta “dirección” no es una dirección física en el espacio tridimensional que vemos, es una “dirección” en ese espacio conceptual que hemos definido antes.
Distintos tipos de partículas tienen ondas que oscilan en diferentes direcciones en este espacio imaginario.

Y aquí llega la clave de la cuestión, la enorme importancia de este campo de Higgs (si existe, claro):

Las partículas cuyas ondas asociadas oscilan en la misma dirección que las “hojas de hierba” pasan a través de la hierba sin notarla en absoluto.

Esas partículas se mueven a la máxima velocidad posible: la velocidad de la luz.

De acuerdo con la teoría de Higgs, nosotros llamamos a esas partículas “partículas sin masa”.
Dicho en términos algo más técnicos, esas partículas no interaccionan con el campo de Higgs, de modo que no lo notan.
Es decir, el fotón (por ejemplo) oscila “hacia arriba”, la dirección de la hierba, de modo que se mueve a la velocidad de la luz y no tiene masa.

Otras partículas tienen ondas que oscilan casi en la dirección de la hierba, pero cuando se mueven tienen que apartar algunas de las hojas de hierba (aunque no muchas) al estar ligeramente inclinadas.
Al hacerlo, reducen su velocidad: les cuesta más moverse a través del “campo de hierba” que a las partículas anteriores, aunque no mucho más.
Estas partículas son las que, en ellenguaje de los físicos, “tienen poca masa”.

En términos del campo de Higgs, estas partículas tienen masa como consecuencia de interaccionar con el campo de Higgs.
Como consecuencia adicional, no pueden moverse a la velocidad de la luz: la hierba se lo impide.

Finalmente, una partícula con mucha masa tiene una onda que oscila en una dirección casi perpendicular a la de las hojas de hierba: al moverse por el espacio, debe apartar casi todas las hojas de la hierba, de modo que (vista “desde fuera”) es una partícula con mucha masa.

Lo crucial del asunto es que la “masa” de todas las partículas conocidas es el nombre que damos a la intensidad de su interacción con el campo de Higgs.
El propio concepto de “masa” es una forma de referirnos a algo más profundo y fundamental: la interacción mayor o menor de cada partícula con el campo de Higgs.

Cuando Peter Higgs envió su teoría a la Physical Review Letters, parece ser que fue rechazada por no cumplir uno de los requisitos básicos de cualquier nueva teoría: realizar una predicción nueva, verificable mediante la experimentación, que permitiera corroborar o rechazar su teoría.

Decir que existe un campo misterioso del que se deduce la masa de forma natural está muy bien, pero es simplemente otra manera de llamar a la masa. ¿Cómo saber si este campo existe realmente o no?

Aquí es donde hace su aparición, por fin, la misteriosa Partícula deDios:
puesto que la mecánica cuántica asocia a cada campo (y las ondas que se propagan en él) una partícula, debería haber una partícula asociada al campo de Higgs.

Dicho de otra manera: cuando una onda recorre el “campo de hierba” de Higgs haciendo oscilar las hojas de hierba, debe haber una partícula asociada a esa onda, de igual manera que cualquier onda tiene asociada una partícula.

Esa partícula asociada al campo de Higgs, que representa la ondulación de las hojas de hierba de igual manera que el fotón representa la ondulación del campo electromagnético, es el “bosón de Higgs”, propuesto por el físico para cumplir el requisito pedido por Physical Review Letters.

Una vez propuesta la nueva partícula, la teoría de Higgs sí era ya comprobable experimentalmente y fue publicada.

Naturalmente, no basta con afirmar que “existe una partícula asociada al campo”: hace falta dar ciertas características de esa partícula, para poder saber si la observamos o no.

Las ecuaciones de Higgs predicen ciertas propiedades de la partícula asociada a su campo, aunque no todas.
Por ejemplo, su espín debe ser nulo, con lo que es un bosón (de ahí que se llame bosón de Higgs).
Debe tener masa, aunque las ecuaciones no predicen cuánta.
No puede tener carga y es su propia antipartícula.

Desde entonces, naturalmente, comprobar que el bosón de Higgs realmente existe ha sido una obsesión de los físicos de partículas:
Si la ven alguna vez, la teoría de Higgs quedará demostrada (y el Modelo Estándar, que se basa en ella, muy reforzado).

Aunque aún no se ha logrado ninguna observación, sí se han realizado experimentos indirectos que nos permiten saber, al menos, en qué intervalo está su masa con cierta precisión.

Los físicos están bastante seguros de que su masa debería estar entre la de un átomo de hierro y el triple de la de un átomo de uranio — es decir, es una partícula muy pesada.

Por si nos lo preguntamos, efectivamente SÍ, el bosón de Higgs debe tener masa de acuerdo con las ecuaciones del modelo.
Lo cual quiere decir que la partícula que proporciona la masa se la proporciona a sí misma: es decir, la dirección de oscilación de la onda asociada a un bosón de Higgs no es paralela a las “hojas de hierba”, contrariamente a lo que podría parecer lógico.
Las cosas son así… o, al menos, parecen serlo.

La mayor esperanza de los defensores del Modelo Estándar y del bosón de Higgs se encuentra en el potentísimo LHC, el acelerador de partículas del CERN del que ya hemos oído hablado en varias ocasiones.

El LHC puede acelerar partículas a velocidades tan gigantescas que puedan producir bosones de Higgs, por ejemplo, al chocar un quark top con uno antitop, ambos producidos por la desintegración de gluones:

Parte del problema es que, de acuerdo con las predicciones, el bosón de Higgs es una partícula de gran masa, de modo que hace falta una enorme cantidad de energía para producirlo (de ahí que el futuro LHC pueda conseguirlo).

El segundo problema es que no es posible detectarlos directamente: entre otras cosas, se estima que tienen una vida media de unos 0,0000000000000000000001 segundos; pero sí es posible detectar las partículas en las que se desintegran.

Los físicos quieren, pues, calcular cuántas posibles combinaciones de partículas pueden producirse por la desintegración de un bosón de Higgs, y con qué probabilidad se produce cada una de esas combinaciones.

Si se detectan esas combinaciones de partículas en el LHC y con una frecuencia similar a las probabilidades predichas, será muy probable que se haya “observado” un bosón de Higgs.

Los sensores del LHC registrarán datos a un ritmo de unas 10.000 copias de la Enciclopedia Británica por segundo durante los experimentos, que los científicos analizarán para tratar de descubrir el bosón de Higgs escondido en ellos, si es que está ahí.

Así que puede que la noticia de la detección de esta partícula tan fascinante no sea inmediata, sino que es posible que se anuncien observaciones compatibles con ella, que los científicos vayan calculando probabilidades y combinaciones y, poco a poco, la comunidad científica se vaya convenciendo de que se ha “visto” un bosón de Higgs.

También es enteramente posible que no se vea absolutamente nada, que los patrones de partículas producidas en el LHC sean completamente incompatibles con la teoría de Higgs y que haya que buscar otras alternativas (hay físicos que no creen que el campo de Higgs, es decir la llamada Partícula de Dios exista).

Muy probablemente lo sepamos, en uno u otro sentido, en unos cuantos años. (fuente: Obertíada )

Written by g33kca

marzo 30, 2010 at 11:10 pm

Publicado en Geek News, LHC

El acelerador de energía europeo LHC consigue reproducir el Big Bang

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celebración en el CERN

Varios científicos celebran el éxito tras ver las primeras fotos de la colisión en el acelerardo.

Los científicos a cargo del mayor colisionador atómico del mundo consiguieron ayer desencadenar choques de partículas generadores de una energía récord, para recrear condiciones similares a las que siguieron al estallido del Big Bang del que surgió el universo.«Esto es física en acción, el inicio de una nueva era, con colisiones de 7 TeV (teraelectronvoltios)», dijo Paola Catapano, científica y portavoz del Centro Europeo de Investigación Nuclear (Cern) de Ginebra, al dar parte del experimento. «Es un momento fantástico para la ciencia», señaló el director general del Cern, Rolf Heuer, en una videoconferencia desde Japón, apenas conteniendo su emoción.

Los vítores irrumpieron en las salas de control cuando los detectores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) marcaron el choque de unos billones de partículas subatómicas a una velocidad inédita, en un tercer intento que resultó exitoso. «Estamos una milmillonésima de segundo después del Big Bang», dijo el portavoz del Cern, James Gillies.

1397124194 Partícula de Dios. La nueva etapa, llamada Primera Física, supone el comienzo de una serie de millones de choques similares durante un periodo de 18 a 24 meses. El LHC, tras alcanzar los 7 TeV, superó en tres veces y media la potencia máxima de su competidor, el Fermilab de Chicago (Estados Unidos). Científicos de todo el mundo procesarán y analizarán los datos en una gigantesca red de ordenadores, buscando evidencias de un eslabón perdido conocido en la teoría como el bosón de Higgs, comúnmente llamado la -˜partícula de Dios-™.

El experimento podría esclarecer la «materia oscura» y la «energía oscura», materia invisible que podría explicar un 96% del cosmos. (Fuente: Diario de León.es)

Written by g33kca

marzo 30, 2010 at 10:43 pm

Publicado en Geek News, LHC