Cuando el Acelerador de partículas de Ginebra (el LHC), se pudo en marcha hace algunos, años os decía:

“El programa experimental del LHC. Demoslé un repaso.

                                   Se pudo en marcha un día 10 de Septiembre a las 9,30 horas del año 2008

“Es el mayor colisionador y acelerador de partículas del mundo, así como el más potente (la energía almacenada en él podría fundir hasta 50 toneladas de cobre.)

“CERN entrará en funcionamiento. Actualmente ya ha empezado el largo proceso de enfriar su enorme masa a las bajas temperaturas que permitirán el funcionamiento de los imanes superconductores a menos de 271 grados centígrados bajo cero, menos de dos grados por encima del cero absoluto. De esta manera empezará la colisión frontal de dos haces de protones de una energía jamás alcanzada en ningún laboratorio.”

“De hecho, sus medidas son sorprendentes: consta de un anillo de 27 kilómetros que se extiende entre el distrito de Gex (Francia) y el cantón de Ginebra (Suiza), y que está enterrado a entre 50 y 150 metros de profundidad. Dicho anillo está compuesto de imanes superconductores que se encuentran a una temperatura cercana al llamado “cero absoluto” (-273,15 ºC).”

       ¿Cómo son los imáanes del LHC?

“Esta temperatura es la necesaria para generar el vacío que permitirá la circulación de los haces de protones o de iones de plomo a una velocidad próxima a la de la luz. Gracias a estos procesos, los físicos esperan descubrir los secretos más íntimos de la materia, como si existe o no el hipotético bosón de Higgs  o si son posibles los viajes en el tiempo.”

Consta de varios experimentos como el CMS

“En general, un acelerador de partículas es un instrumento que utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas subatómicas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, incluso cercanas a la de la luz.”

              Primeras pruebas a 13 TeV

“El LHC, en concreto, se diseñó para colisionar haces de protones de 7 Tev (teraelectronvoltios) de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar de la Física de Partículas,  que es el marco teórico actual de la física de partículas. En su fabricación han participado más de 2.000 físicos de 34 países, y cientos de universidades y laboratorios, con una inversión de casi cuatro millones de euros.”

“Una parte clave del proceso fue la puesta a punto de los colimadores. Estos dispositivos absorben partículas desviadas fueron ajustaron a las condiciones de colisión de haces. Esta configuración le dará a los científicos del acelerador los datos que necesitan para asegurarse de que los imanes y los detectores del LHC están totalmente protegidos.”

 “Esta es una parte importante del proceso que permitirá a los equipos experimentales que supervisan los detectores de ALICE, ATLAS, CMS y LHCb cambiar sus experimentos totalmente. La toma de datos y la segunda puesta en funcionamiento de LHC está prevista para principios de junio.”

El LHC ya estaba presente en el horizonte científico del CERN cuando se aprobó, a mediados de la década de los 70, la construcción de LEP. Ya entonces se decidió dimensionar la obra civil de forma que pudiera albergar en el futuro un colisionador hadrónico. En 1984 las principales características de la máquina quedaban definidas: el LHC sería un colisionador protón-protón, con una energía en el centro de masas entre 10 y 20 TeV y una altísima luminosidad (mayor 10³³ cm ²sˉ¹ y que posteriormente se aumentaría hasta 10³⁴ cm ˉ²sˉ¹).

LHCb es el más bello de los experimentos del LHC. La “b” es de “beauty” o “belleza”.

La “belleza” es uno de los “sabores” de los quarks.

 

El acelerador:

Un túnel de 27 km de circunferencia, a una profundidad media de 100 m, en la frontera franco-suiza alberga el LHC. Dado que la longitud total del acelerador queda fijada por la longitud del túnel, la energía máxima de colisión alcanzable depende críticamente del campo magnético que pueda mantenerse de forma estable con los imanes bipolares de curvatura que lo configuran.

Dipolo magnético

En su diseño final los principales componentes del acelerador son 1232 dipolos superconductores, cada uno de 14,3 m, que operados a una temperatura de 1,9 K generan un campo magnético de 8,33 T. La red magnética se completa con más de 6000 imanes de órdenes superiores (hasta dodecapolos) para focalizar el haz y mantenerlo estable. Bajo estas condiciones, la energía de los haces será de 7 TeV, por lo que la energía en el sistema de centro de masas de las colisiones alcanzará los 14 TeV.

Los dos haces que colisionan son protones circulando en sentidos opuestos y no pueden acelerarse en un único campo magnético. Por ello se optó por una configuración “2 en 1“, en la que ambos haces comparten la estructura mecánica y criogénica, pero circulan por tubos de vacío y están sometidos a campos magnéticos independientes.

Un total de 2808 paquetes de partículas, con una intensidad nominal 1,15 x 10¹¹ protones/ paquete y una separación entre paquetes de 25ns circularán por el anillo, permitiendo alcanzar una luminosidad de 10³ 4 cmˉ²sˉ¹. La energía almacenada en el haz alcanzará los 350 MJ, lo que impone severas condiciones para garantizar su funcionamiento de forma segura. Por otra parte, la energía total acumulada en los imanes del acelerador será de 10 GJ.

 “Imanes con orificio avellanados de disco de neodimio de 1200 piezas, imanes de tierras raras permanentes fuertes de 0,98 pulgadas x 0,2 …“

En su  momento se han produjeron más de 1200 imanes (de ellos, más de 1000 dipolos) todos instalados. Los servicios criogénicos, que distribuyen y suministran helio líquido a los imanes se disponen en una línea paralela a la línea del haz, en los que constituirá la mayor instalación criogénica del mundo con  27 km de circunferencia (en una de las pruebas, se produjo una fuga de helio que dio lugar al retraso del Proyecto).

El LHC tendrá cuatro puntos de interacción en los que se ubicarán los detectores ATLAS (A Large Toroidal LHC Apparatus), ALICE (A Large Ion Collider Experimental CERN LHC), CMS (The Compact Muón Solenoid) y  (LHCb  Large Hadron Collider beauty experiment).

Los detectores:

El diseño concreto de los detectores viene dictado por el programa científico que se pretende llevar a cabo, teniendo en cuenta cuáles son las exigencias experimentales que imponen las características del acelerador.

Para una energía en el centro de masas de 14 TeV, la sección eficaz inelástica protón-protón es aproximadamente de 70mb y esto supone que con la luminosidad nominal del acelerador, cada uno de los experimentos verá una tasa de colisiones inelásticas de aproximadamente 10 exp9/s. Sin embargo los procesos físicos que el LHC tiene como objetivo, como son la producción del bosón de Higgs o de partículas supersimétricas, se generan con secciones eficaces de varios órdenes de magnitud más pequeñas, del orden de decenas de picobarns. Es pues imprescindible un potente sistema de filtrado (“trigger“) que seleccione aquellos sucesos que sean potencialmente interesantes. El espaciado entre cruce de haces (25ns) es tan breve que el sistema de trigger no puede tomar una decisión en tan poco tiempo, y por tanto su arquitectura y la del sistema de adquisición de datos debe permitir el almacenamiento temporal de la información correspondiente a varios sucesos y su tratamiento en paralelo. De esta manera se reduce el volumen de información que habrá que procesar posteriormente desde aproximadamente 10 exp9 interacciones/s hasta poco más de 10² sucesos/s para su almacenamiento y posterior análisis.

Otro factor a considerar es que a la luminosidad nominal se van a producir (en media) unas 20 interacciones cada 25ns. Los productos de la interacción “interesante“ emergerán mezclados con los resultantes de las otras interacciones procedentes del mismo cruce de haces, dando lugar a una multiplicidad media de ~ 3000 partículas cada 25ns. Este efecto de acumulación de interacciones, conocido como “pileup“, se puede paliar parcialmente con detectores muy finamente segmentados para mantener su ocupación a niveles razonables y poder así separar las partículas, pero a costa de aumentar considerablemente el número de canales de lectura del detector ( hasta 10 exp8.-10 exp9.), con el consiguiente problema de sincronización entre los mismos.

Este gran flujo de partículas procedentes de la región de interacción provoca que los niveles de radiación a los que se verán sometidas diversas regiones del detector sean significativos (superiores a 10 kG y/año a la luminosidad nominal, en las zonas más expuestas). Esto exige que muchos de los materiales que se usen en los detectores y la electrónica asociada deben ser resistentes a la radiación. Asimismo, para cumplimentar todos los requisitos en materia de seguridad que esto impone, la fiabilidad de los detectores tiene que ser máxima para así minimizar las operaciones de mantenimiento de los mismos, que en muchos casos tendrán que realizarse con dispositivos robotizados.

Otro elemento reseñable de la experimentación en el LHC es el desafío que plantea en términos de almacenamiento y procesado de datos. Cada experimento del LHC generará varios Petabytes de información cada año de funcionamiento. Un modelo de computación centralizada no puede responder satisfactoriamente a estas exigencias y se ha optado, siguiendo el paradigma de los sistemas GRID, por un modelo de computación distribuida, establecida en una jerarquía de varios niveles (Tier 0, Tier 1, Tier 2) interconectados entre sí y distribuidos geográficamente por todo el planeta.

ATLAS y CMS son detectores de los denominados de propósito general, con un programa experimental de amplio espectro. Han sido diseñados como detectores de gran aceptancia geométrica y hermeticidad; con una excelente resolución en la medida de la energía de fotones y electrones y en la determinación del momento de las partículas cargadas en general, y de los muones en particular. También se requiere una medida razonable de la energía de los sistemas hadrónicos (jets). Asimismo es necesaria una excelente capacidad de reconstrucción de trayectorias en la región cercana al punto de interacción para detectar la desintegración de las partículas de larga vida media (quarks b y c y leptón) cuya presencia pudiera ser signo inequívoco de un proceso de interés.

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Ambos programas comparten muchas cosas y actualmente en tecnología de silicio en una disposición multicapa, calorímetros electromagnético y hadrónico y detectores de muones. Se complementan con un campo magnético que permite la determinación del momento de las partículas cargadas. La diferencia entre ambos experimentos se deriva de la opción tomada para el campo magnético.

ATLAS ha optado por un gran campo magnético toroidal en aire, en la parte exterior, donde se encuentran las cámaras que componen el detector de muones y un campo magnético solenoidal complementario, en la región más interna, para la determinación del momento del resto de las partículas. Como consecuencia, ATLAS es un detector de gran tamaño ( 25 m de diámetro, 46 m de longitud y 7000 toneladas de peso ). El calorímetro electromagnético es un calorímetro de muestreo de Argón líquido y plomo con estructura de acordeón. El calorímetro hadrónico es también de muestreo, con planchas de acero y centelleador.

CMS ( Figura 5 ) tiene un diseño mucho más compacto ( 15 m de diámetro, 21,6 m de longitud y 12500 toneladas de peso ) ya que ha optado por un imán solenoidal superconductor de 4 T de 13 m de longitud y 6 m de diámetro interno, que será el mayor imán del mundo de sus características. El campo de retorno se guía a través de una estructura de anillos y discos de hierro donde se albergan una serie de estaciones de cámaras de muones. En el interior del imán se alojan en calorímetro electromagnético, compuesto por 76848 cristales de tungstanato de plomo y el detector de trazas de silicio, con más de 10 millones de canales de lectura, que será el mayor jamás construido y supone un área total de 250 m² de detectores, dispuestos en 13 capas concéntricas.

Por aquellos años se leía en la prensa:

“Ambas colaboraciones están actualmente inmersas en un periodo de gran actividad: finalización de la construcción mecánica de los subdetectores e instalación de la electrónica asociada, validación en bancos de prueba, instalación en su emplazamiento definitivo y pruebas adicionales “ in situ “.

Todo ello para garantizar su perfecta operatividad desde el primer día en el que LHC registre colisiones.

“Después de haber producido 400 billones de colisiones entre protones, el LHC se prepara para comenzar esta semana las colisiones entre núcleos de plomo, que permiten el estudio del llamado plasma de quarks y gluones. La colaboración LHCb participará, por primera vez, en una toma de datos de dichas colisiones en el LHC. El detector del experimento fue construido específicamente para medir vértices desplazados que se producen copiosamente a bajo ángulo en desintegraciones de partículas que contienen los quarks b (bottom) y c (charm).”

LHCb está dedicado específicamente a estudios de física en el sector del quark b : análisis de la violación de la simetría CP, determinación de los elementos de la matriz CKM, etc. dado que la sección eficaz de producción  del quark b se extiende en la dirección hacia delante, de bajo ángulo polar, el detector LHCb difiere del concepto simétrico anterior y está diseñado como un espectrómetro de un solo brazo. LHCb tomará datos en régimen de baja luminosidad ( 2 x 10³² cm-²s-¹ ), lo que le permitirá almacenar del orden de 10 exp9. -10 exp10. hadrones B por año.

Por último, ALICE es un detector diseñado para explotar al máximo la fase de operación en colisiones de iones pesados ( iones de plomo con una energía de 2,76 TeV/ nucleón y una luminosidad inicial de 2x10²7 cmˉ²sˉ¹ ) en las que se producirá una transición de fase del estado de la materia, creando el Quark- Gluón Plasma ( QGP ), una sopa de quarks y gluones que se supone existió en el origen del universo, durante unos 10ˉ5 s tras el Big-Bang.

El programa científico:

El LHC permitirá explorar todo el intervalo de energías hasta aproximadamente 5  – 6 TeV, y en él se esperaba encontrar la respuesta a muchas de las preguntas que la física de partículas actual tiene planteadas, desde completar el Modelo Estándar ( ME ) de Partículas e Interacciones, con el descubrimiento y posterior estudio del bosón de Higgs, hasta dilucidar la existencia de simetrías superiores o teorías mas fundamentales de la Naturaleza.

El Modelo Estándar es una teoría gauge renormalizable que describe las interacciones fuertes, débiles y electromagnéticas najo e grupo de simetría SU (3) x SU (2) x U (1). Describe con gran precisión una multitud de fenómenos en el rango de energía desde ~ 10 eV ( escala atómica ) hasta ~ 100 GeV ( escala electrodébil ). En el contexto del ME, las correcciones cuánticas (electrodébile y fuertes) pueden ser evaluadas sistemáticamente, permitiendo una precisa comparación de resultados experimentales con las predicciones teóricas. La pléyade de medidas realizadas en los últimos quince años en física de partículas con aceleradores ( colisiones e+e- en el Stanford Linear Accelerator de SLAC y LEP en el CERN, colisiones protón-antiprotón en el colisionador Tevatrón de Fermilab ) y en otros experimentos han confirmado la validez del ME (suponiendo la existencia del bosón de Higgs) al nivel del 0, 1 % o mejor. El LHC proporcionará también la posibilidad de continuar esta serie de medidas de precisión de multitud de procesos físicos conocidos. En este caso, las muestras estadísticas que se recogerán superarán con creces las producidas en los aceleradores anteriores. Sólo a modo de ejemplo, la producción del quark top, último quark descubierto en 1995, será tan copiosa (hasta ~10⁷. – 10⁸ sucesos / año, entre 4 y 5 órdenes de magnitud superior a la producción actual de este quark en el acelerador Tevatrón) que permitirá validar y completar la caracterización del mismo en un régimen superior de energía y de muy alta estadística.

Pese al éxito del Modelo Estándar hay argumentos que sugieren la existencia de una teoría más fundamental (o simetría superior ) que englobe a la teoría actual de las interacciones fundamentales y de la que el ME es quizás una representación efectiva en la escala de energías accesibles actualmente. Entre los aspectos más insatisfactorios del ME podemos citar la existencia de hasta 26 parámetros libres en la teoría ( como son las masas de las partículas ); la no explicación, en su formulación original, de la masa de los neutrinos ni de la razón de la existencia de 3 generaciones de partículas, o lo que se conoce como el “ problema de la jerarquía “ que traduce el hecho de la gran diferencia que existe entre la escala electrodébil ( ~ 100 GeV, dada por las masas de los bosones gauge W+, W- y Z ) y la escala de gran unificación o escala de Planck ( ~ 10¹⁹. GeV, energía a la cual la intensidad de los efectos gravitatorios es comparable a la de las interacciones electrodébiles). Además, el ME no describe la interacción gravitatoria, la asimetría materia-antimateria observada en el universo; no sugiere ningún candidato natural para constituir la materia oscura ni ofrece ninguna indicación sobre la existencia y magnitud de la constante cosmológica o energía oscura.

Según nos dice la ciencia de la Mula Francis:

“Más allá del M odelo Estándar de la Física de Partículas elementales sin la supersimetría”

Hay multitud de modelos teóricos, que van mas allá del ME, propuestos para solventar algunos de los importantes problemas que éste presenta. Ahora, con la puesta en marcha (esperemos que definitiva) del LHC, éste nos transportará hacia el futuro de la Física y nos descubrirá el velo que esconde algunos de los enigmas más profundos de la naturaleza del Universo que nos acoge.

emilio silvera

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