El Gran Col·lisionador d'Hadrons del CERN (LHC, per les seues sigles en anglès) és l'accelerador de partícules més potent del món, i el major instrument científic mai construït per explorar la frontera d'altes energies. Es va posar en marxa al setembre de 2008 després de vint anys de disseny, desenvolupament de tecnologies i fabricació dels components de l’accelerador i els detectors. L'LHC ja ens ha proporcionat alguns èxits: el descobriment del bosó de Higgs, les primeres mesures d'alguns processos molt rars i la troballa d'estats exòtics com el pentaquark. El Model Estàndard de la física de partícules està ara tancat: totes les partícules “estàndard” han estat observades i les seues propietats coincideixen amb les prediccions del model deprimentment bé. La nova física, si és que existeix, haurà de manifestar-se a través de partícules més pesades, o potser els seus efectes només es deixen veure en rares ocasions i encara no hàgem estat capaços d'identificar-los entre el fons de processos estàndard.

El projecte de l’LHC d'Alta Lluminositat (HL-LHC) pretén millorar la capacitat operativa de l'LHC per tal d'ampliar seus perspectives de descobriment a partir de 2025. L'objectiu és augmentar la lluminositat de l'accelerador (el nombre de col·lisions per segon) en un factor al voltant de deu per sobre del valor original de disseny. En aquest sentit es tracta d’una “actualització”, una millora sobre tecnologia ja consolidada, encara que requerirà una gran intervenció que afectarà a més de 1.200 metres de la màquina. Una vegada implementada permetrà desenvolupar estudis precisos de les noves partícules que l'LHC ha descobert, com el bosó de Higgs, i obrirà la porta a l'observació de processos molt rars que no són accessibles des de la sensitivitat present de l'LHC. Per exemple, a l'LHC d'alta lluminositat s’hi produiran fins a 15 milions de bosons de Higgs per any, en comparació amb els 1,2 milions produïts en 2011 i 2012.

Augmentant la lluminositat augmentem la sensitivitat a esdeveniments rars, però per què augmenta també la capacitat de descobrir noves partícules? A l’LHC, com el seu nom indica, s'acceleren protons, que són partícules compostes, formades per un eixam de quarks i gluons que es mouen a altes velocitats. Quan els feixos de protons es creuen les partícules que col·lisionen no són els protons, sinó els quarks i els gluons que hi ha al seu interior, i cadascun d’ells transporta només una fracció de l'energia del protó. Com l'energia invertida en la col·lisió és la “matèria primera” a partir de la qual es creen noves partícules, ens agradaria que aquesta fóra el més alta possible. Per desgràcia és poc habitual que un únic quark o gluó acumule tota l'energia del protó, així que la majoria de les col·lisions tenen una energia sensiblement inferior. Unes poques, però, sí resulten inusualment energètiques. Així doncs, una manera de tenir més col·lisions d'alta energia és senzillament augmentar el nombre de col·lisions, és a dir, la lluminositat de l'accelerador.

El desenvolupament de l’HL-LHC depèn d'una sèrie d'innovacions tecnològiques. La primera fase del projecte es va iniciar el 2011 amb l'estudi de disseny "HiLumi LHC". Aquesta fase va reunir molts laboratoris dels estats membres i associats del CERN, i l'Institut de Física Corpuscular (IFIC) hi va participar també. L'estudi de disseny va arribar a la seua fi a l'octubre de 2015, amb la publicació de l'informe tècnic de disseny, marcant l'inici de la fase de construcció del projecte, tant al CERN com a la indústria.

Els detectors de partícules que registren el que passa durant les col·lisions també van a tenir la seua pròpia actualització. Aquestos dispositius han d'operar en condicions molt dures, amb nivells de radiació extremadament alts que requereixen dissenys molt específics per als seus sensors i la seua electrònica. Els detectors han sigut dissenyats per a funcionar deu anys sota les condicions de l'LHC. En el moment en què l'accelerador s'actualitze els detectors també hauran de ser reemplaçats, bé perquè el dany induït per la radiació serà ja crític o perquè es necessitarà un millor rendiment per a fer front les condicions de treball del HL-LHC.

Quan l’HL-LHC entre en funcionament els detectors es trobaran deu vegades més partícules en cada encreuament dels feixos ‒i n’hi ha 40 milions cada segon‒ i hauran de respondre igual o millor que ho fan actualment a l’LHC. Com a conseqüència els trackers, les parts del detector que registren la trajectòria de les partícules, hauran de multiplicar per cinc la seua granularitat, l'equivalent al nombre de píxels d'una càmera digital, per a poder donar compte del major nombre de partícules que els van a travessar. Altres parts del detector, com els calorímetres, la funció dels quals és absorbir les partícules per mesurar la seua energia, no hi veuran tanta diferència amb les noves condicions de treball, sempre que els trackers els proporcionen informació precisa sobre les trajectòries de les partícules.

De la mateixa manera que el bon funcionament dels trackers és crític, també és de gran importància la “intel·ligència” del sistema, la seua capacitat per a decidir si les dades enregistrades durant una col·lisió són dignes d'ésser emmagatzemades per a estudis posteriors. Clarament no volem perdre'ns la instantània d’una nova partícula, ja siga perquè estem ocupats emmagatzemant dades o perquè la nostra intel·ligència artificial va decidir que aquest esdeveniment no era suficientment interessant.

Igual que en el cas de l'accelerador, l'actualització dels detectors requereix de grans col·laboracions on físics i enginyers de totes les disciplines imaginables treballen junts per resoldre els reptes tecnològics. L'IFIC està jugant un paper molt important en dos elements fonamentals de la futura actualització d'ATLAS, un dels experiments de propòsit general que operen a l’LHC. El primer element és l’electrònica que extraurà les dades dels calorímetres, que deu portar a terme la seua funció suficientment ​​ràpid com per a permetre que el sistema decidisca si les dades d'una determinada col·lisió han de guardar-se o es poden descartar. El segon és el disseny i construcció d'una part dels trackers, que han de poder enregistrar les trajectòries de les partícules amb una resolució espacial de vint milionèsimes de metre. Estem dissenyant i caracteritzant els sensors de silici, els suports on s'instal·laran aquests sensors, els serveis necessaris per a la seua correcta operació (refrigeració, fibres òptiques per a transmetre dades i senyals de control, cables per a proporcionar els voltatges adequats) i l'estructura mecànica, de tres metres de llarg i dos metres de diàmetre, que permetrà mantenir la resolució espacial general i suportarà els sensors del tracker.