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El LHC se pone en marcha, el futuro nos acecha.

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (10)

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El programa experimental del LHC. Démosle un repaso.

Introducción:

El CERN (Laboratorio Europeo de Física de Partículas) se prepara con expectación para la puesta en marcha de su próximo gran proyecto. La construcción del Large Hadron Collider (LHC) entra en su recta final después de más de diez años transcurridos desde su aprobación. Tomará así el relevo del fructífero programa experimental llevado a cabo en el colisionador de electrones y positrones LEP (Large Electrón Positrón Collider) (1989 – 2000).

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).

Los primeros diseños de experimentos empiezan a surgir hacia el año 1990 en los que se pone de manifiesto el desafío tecnológico que supondrá la experimentación en un entorno de alta luminosidad. A partir de 1992 el CERN inicia un ambicioso programa de I+D en todos los aspectos de la detección de partículas, desde nuevos materiales resistentes a la radiación hasta nuevos sistemas de lectura de datos. El CERN aprueba oficialmente la construcción del LHC en 1994 con una fecha inicial de entrada en funcionamiento de 2005, que debido a diversas causas se ha ido retrasando hasta la fecha actual de comienzo, en el otoño de 2007.

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.

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.

Hasta el momento se han producido 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.

Comparten la estructura clásica de los detectores de partículas en colisionadores, una estructura en capas concéntricas alrededor del tubo del haz donde se encuentran, del interior al exterior: detectores de trazas, 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.

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.

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 espera 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.

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

 

  1. 1
    Ramon Marquès
    el 31 de octubre del 2009 a las 21:01

    Hola Emilio:
    Supongo que el LHC hará grandes descubrimientos, pero probablemente el bosón de Higgs no aparecerá, con lo que deberían revisarse algunas cosas. Si me equivoco sería yo quien debiera revisarlas, y cuando lo pienso entiendo que sería una lástima porque el modelo de Universo que propongo es menos materialista.
    Amigo Emilio, un abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  2. 2
    Alex
    el 31 de octubre del 2009 a las 21:48

    Estimado Ramón:

    Por fin el LHC funciona. Es un hito en la historia de la humanidad; hay que darle un voto de fe. El bosón de Higgs puede explicar muchas cosas. Recuerda que sólo aparecen y suceden hechos a ciertas energías(normalmente muy altas) como la ruptura de algunas simetrías y la unión de algunas fuerzas( desgraciadamente no me acuerdo) Es imprescindible reproducir exactamente el supuesto Big-Bang.

    Saludos

    Responder
  3. 3
    emilio silvera
    el 1 de noviembre del 2009 a las 9:20

    Estimados amigos Ranón y Alex, ya sabeis que en los primeros momentos (al menos eso es lo que se cree), reinaba una sóla fuerza que, cuando el Universo se enfrió se dividió en las cuatro que ahora conocemos.

    Por otra parte, es verdad que si queremos saber sobre los orígenes, el único camino que tenemos es el de regresar a esas grandes energías que ahora, sólo podemos reproducir (a muy pequeñas escalas) en los aceleradores de partículas que son los aparatos donde se utilizan las mayores energías.

    El LHC, trata de acercarse un poco más y tratará de encontrar algunas respuestas que enderecen el Modelo Estándar de la actual Física que, como sabeis, no está todo lo fino que quisiéramos y para que cuadren las cuentas, los físicos han incluído en su conformación unos 26 parámetros aleatorios, y, entre ellos, está el Bosón de Higgs que le suministra la masa a las partículas, así que si no aparece como dice Ramón, habrá que buscar otros caminos para explicar el mundo en el que vivímos.

    De todas las maneras, las probabilidades de que el dichoso Bosón de Higgs aparezca, son bastante grandes, ya que, en el Fermilab, el acelerador Norteamericano, han tenido algunos indicios de que está ahí.

    Por el bien de la Ciencia en general y de la Física en particular, esperemos que sí aparezca y, además, que se pueda comprobar de forma clara el “efecto frenado” de Ramón y tengamos una explicación consistente del origen de la masa.

    Otras respuestas de diversa índole nos puede traer el LHC que al sondear profundidades de 14 TeV, habrá llegado a lugares que antes nadie pudo visitar, y, en esos lugares, amigos míos, pueden existir datos e indicios de las respuestas a enigmas largamente perseguidos.

    En fin, esperemos.

    Un saludo cordial.

    Responder
  4. 4
    Alex
    el 1 de noviembre del 2009 a las 10:29

    ¡Una respuesta formidable!

    Gracias Emilio

    Responder
  5. 5
    Ramon Marquès
    el 1 de noviembre del 2009 a las 19:24

    Hola:
    Porque lo dices tú, Emilio, porque lo dice Alex y porque te acuerdas del efecto frenado, ¡que aparezca el bosón de Higgs!.
    Un abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  6. 6
    Alex
    el 1 de noviembre del 2009 a las 20:04

    Querido Ramón:

    también he leído numerosos comentarios tuyos. Pero no entiendo del todo bien tu, interesante, teoría del efecto frenado. Me gustaría maravillarme mediante tus explicaciones.

    Saludos, Alex

    Responder
  7. 7
    Ramon Marquès
    el 1 de noviembre del 2009 a las 21:53

    Hola Alex:
    Me satisface hablar del efecto frenado. La gravedad no es lo del ascensor y un movimiento uniformemente acelerado, que ha demostrado ser una teoría no consistente, aunque puede servir para simular la gravedad. La gravedad es la misma fuerza interactiva de las partículas a distancia, o lo que es lo mismo un efecto rotatorio que frena el movimiento de las partículas, que de otra forma deberían ir a la velocidad de la luz y no existiría inercia, gravedad ni masa.
    Dicho de otra forma, el efecto frenado es la interacción del complejo vibratorio de la partícula con el espacio vibratorio en expansión. Lo que deforma el espacio, con lo que resulta que la deformación del espacio es un efecto no la causa de la gravedad. Y resulta que la tracción contínua del efecto frenado da lugar a un movimiento uniformemente acelerado, que también es básico en las ecuaciones de la Relatividad de Einstein, pero entiendo que no como causa de la gravedad sino como un efecto.
    En esta teoría una pieza fundamental que esgrimo desde hace muchos años es el espacio vibratorio en expansión, que sería la causa de la expansión y aceleración (recién descubierta) del Universo. Y este espacio vibratorio en expansión creo que bien se puede corresponder con la recién decubierta energía oscura, que parece ha venido a avalar miteoría, y que así jugaría un papel fundamental, ¿que representa si no este 73% de la energía del Universo?. Esta energía oscura avala la idea de un espacio vibratorio en expansión que explica tada la fuerza expansiva del Universo, ¿de dónde sacan si no la energía las partículas?, yo no creo que la tengan porque sí.
    Bueno, Alex, por hoy ya tienes una buena ración de efecto frenado. Un abrazo. Ramon Marquès

    Responder
  8. 8
    Alex
    el 2 de noviembre del 2009 a las 1:34

    Hola Emilio:

    Me te meo que mi comprensión, debido a la hora o al contenido, no ha sido buena. Me parece mi buena tu teoría ya que, explica diversas cosas y me gustaría profundizar más. Si quieres podemos intercambiar correos electrónicos y charlar.

    Un saludo del curioso Alex

    Responder
  9. 9
    Alex
    el 2 de noviembre del 2009 a las 1:35

    lo siento, me equivoqué de nombre; ¡puse Emilio en lugar de Ramón!

    Responder
  10. 10
    Ramon Marquès
    el 2 de noviembre del 2009 a las 19:24

    Hola Alex:
    El efecto frenado, como todo freno, representa una tracción centrípeta para el propio objeto que es la gravedad. Esta tracción contínua ejerce a la vez una deformación del espacio y atrae con un movimiento uniformemente acelerado.
    Sobre este particular he escrito dos libros, el más completo a este respecto es el último:
    “Nueva Cosmología. Un giro copernicano”
    Editorial Indigo.
    La editorial Indigo tiene distribuidores en toda España, en México y en Argentina. En Andalucía las ditribuidoras están ubicadas el Sevilla y Málaga.
    Un abrazo para ti, Alex, extensivo al amigo Emilio que nos estará escuchando. Ramon Marquès

    Responder

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