La complejidad del LHC

EL LHC: El Sistema de vacío más grande del mundo.

Cuando el 10 de septiembre de 2008, se puso en servicio en el CERN, el Gran Colisionador de Hadrones, el LHC, un acelerador de partículas gigante salido de la imaginación de los físicos de partículas de altas energías, se inicio el mas ambicioso experimento en el campo de la Física de Partículas de Alta Energía. Se espera que conduzca al descubrimiento del pronosticado Boson de Higgs o podría desvelar nuevas físicas más allá del Modelo Estándar.

Con sus 26,7 Km de longitud, el LHC tiene el sistema de vació mas grande del mundo operando en una extensa gama de presiones y utilizando una impresionante variedad de tecnologías de vació, algunas de las cuales fueron puestas a punto en el CERN. Este sistema es fundamental para los aceleradores ya que, evidentemente, sin vació, las partículas no podrían sobrevivir ni los detectores funcionar.

Instalado en el túnel subterráneo (entre -80 y -140 m) del antiguo LEP (gran colisionador de electrones y positrones) y a caballo sobre la frontera franco-suiza a menos de 15 kilómetros de la ciudad de Ginebra, el LHC esta compuesto por un doble anillo de almacenamiento de partículas. Cada anillo transporta un haz de hadrones de 7 TeV de energía que circulan en direcciones opuestas, colisionando en cuatro gigantescos experimentos. Los dos haces de hadrones están dirigidos y enfocados por centenares de imanes superconductores, enfriados a una temperatura de 1.9 K (-271.25ºC) utilizando helio superfluito. Un vació de aislamiento permite reducir los intercambios térmicos entre imanes criogénicos y el criostato a la temperatura ambiente.

Comparado con un acelerador lineal, un colisionador de partículas como el LHC tiene exigencias para el vació del haz de partículas mas importantes. En el LHC, las partículas del haz viajan a una velocidad muy próxima a la velocidad de la luz (300.000 Km/s) y completan ¡más de 11.000 revoluciones del anillo por segundo! Por diseño, cada ciclo (inyección, colisiones entre haces, extracción de los haces) de Física durara 10 horas durante las cuales el vació residual tendrá que tener un impacto de incidencia mínima sobre los haces. Tal requisito requiere una vida de las partículas que tienen que exceder de 100 horas, lo que implica que las partículas viajen durante 4 billones de de revoluciones del LHC, equivalentes ¡a 280.000 viajes a la Luna! (384000 Km) sin colisionar con los átomos o moléculas del vació residual.

La existencia del vació en los aceleradores de partículas tiene su razón de ser en la absoluta necesidad de limitar las interacciones (elásticas o inelásticas) entre las partículas del haz, y los átomos o moléculas del vació residual. Interacciones que provocan una dispersión del haz que es responsable de la limitación del funcionamiento de los aceleradores y del deterioro de su rendimiento. Para la mayoría de estos fenómenos, los gases pesados con una sección eficaz de ionizacion alta, son los mas constringentes para la circulación del haz, La aceleración y almacenamiento de los iones tiene requisitos de vació aun mas elevados debido a la necesidad de evitar su neutralización parcial o total en el intercambio de cargas eléctricas resultantes de los choques inelásticos con los átomos o moléculas del vació residual.

Conviene destacar dos tipos de mecanismos que tienen lugar en el vació para los haces: los efectos que afectan directamente a las partículas del haz y que llamaremos efectos directos y los efectos que impactan la operación del haz sin interactuar directamente con el.

Efectos directos sobre el haz de partículas

Los efectos dominan las interacciones directas con el haz. El primero es la dispersión del haz por colisiones con átomos o moléculas del vació residual. El aumento local de presión aumenta la probabilidad de colisiones y reduce la vida de las partículas del haz reduciendo así mismo la luminosidad en los puntos de colisión de los haces en los detectores. El segundo es la interacción del haz con nubes de cargas eléctricas (electrones o iones) acumuladas en la cámara de vació. Esas interacciones inducen un aumento del tamaño de los paquetes de partículas y unas inestabilidades del haz.

Efectos indirectos que impactan la operación del acelerador

Los efectos indirectos son más variados y más complejos. Muchos de ellos son soluciones tecnológicas opuestas. Los principales son:

1. La transición del estado supraconductor al estado resistivo de los imanes supraconductores debido a la inducción de cargas térmicas resultantes de la pérdida de partículas del haz.
2. La disorcion estimulada por las partículas (todas las partículas y no solamente las del haz) que impactan las paredes de la cámara de vació y que aumentan localmente la presión reduciendo la vida de las partículas (hay varios responsables para que esto suceda).
3. Los efectos radiológicos como pueden ser:

• La activación de materiales.
• La destrucción del aislamiento de los cables, de la electrónica de protección de sistemas y de la instrumentación del haz.
• La destrucción de componentes electrónicos activos por partículas de alta energía (neutrones).
• El ruido de fondo en los detectores.
• El ruido inducido por las partículas que se escaparían de la zona de captación magnética de los imanes a causa de una dispersión por colisiones con el gas residual y que son detectadas por los detectores.
• La interacción de las partículas de la cascada nuclear inducida por una conducción inelástica en corriente arriba de los detectores.

Evolución cronológica

Me limitare a decir que en los últimos 20 años, es de destacar la disminución de los precios de las bombas de vació y el desarrollo de las bandas y capas finas de material suéter no evaporable ( TiZrV), una tecnología desarrollada e industrializada en el CERN. Esta tecnología, es imprescindible en los aceleradores que necesitan cámaras de vació de pequeñas dimensiones y que resultan tener una conducción limitada para los gases.

Desafíos para el vacío de nuevas generaciones de aceleradores

La voluntad de desarrollar nuevos aceleradores de mas alta intensidad y energía y con dimensiones razonables para disminuir los costes de construcción y de operación, esta redundando en el incremento de las exigencias para las cámaras de vació de la nueva generación de aceleradores. Ya no están diseñadas para alcanzar únicamente un nivel de presión excesivamente bajo sino también deberán reducir la impedancia para el haz (circulación de la corriente de imagen) evitando el riesgo de generación de ondas radiofrecuencias de alta frecuencia (HOM), cumplir con el difícil desafió de la optimización de la apertura para el haz, limitar y captar la carga térmica generadas por los fenómenos inducidos por el haz entre los cuales conviene destacar las avalanchas de electrones y de iones o la generación de fotones o de foto-electrones. Esa explosión en las exigencias esta redundando en una ampliación del espectro de tecnologías involucradas en el diseño de cámaras de vació de nueva generación que tienen que incluir nuevas soluciones tecnológicas que permitan minimizar los efectos de las avalanchas de electrones e iones así como la generación de fotones  t foto-electrones. El diseño resulta más complejo, la fabricación y la operación más costosa. Hoy en dia todos los aceleradores de partículas de la nueva generación tienen que superar estos desafíos.

El “Large Hadrón Collider” (LHC)

El vacío del LHC esta compuesto por 54 Km de vació ultra bajo, por donde circulan los dos haces y 50 km de vació de aislamiento alrededor de los imágenes criogénicos en las líneas de transporte del liquido criogénico (Helio). Los requisitos para el vació de estos dos sistemas son radicalmente diferentes.

Explicar aquí el vacío para el haz de partículas y el vació de aislamiento térmico, seria engorroso y nos llevaría a un sistema de vació expuesto a daños colaterales.

La complejidad del LHC, implica dificultades para la operación del vació y aumenta el tiempo de inactividad del acelerador y los recursos humanos necesarios durante las intervenciones. En los pocos días de operación con haces, la yuxtaposición para los haces, de un vació criogénico con un vacío a temperatura ambiente, hizo patente la necesidad de una rápida detección de una inestabilidad térmica en los imanes criogénicos para evitar que los gases liberados por las paredes frías se propagasen y saturasen las capas de material NEG de las zonas a temperatura ambiente.

El LHC, es un proyecto de cuya complejidad e implicaciones se tienen pocas nociones por la gente de la calle que, generalmente, solo ven la parte mas espectacular de las misiones que se persiguen que son, en definitiva, las que mas airean la prensa pero, la realidad es que, no todo es tan bonito como lo pintan y las dificultades son muchas y, algunas, difíciles de superar.

Veremos que pasa.

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