El Gran Colisionador de Hadrones del CERN (LHC, por sus siglas en inglés) es el acelerador de partículas más potente del mundo, y el mayor instrumento científico jamás construido para explorar la frontera de altas energías. Se puso en marcha en septiembre de 2008 después de veinticinco años de diseño, desarrollo de tecnologías y fabricación de los componentes del acelerador y los detectores. El LHC ya nos ha proporcionado algunos éxitos: el descubrimiento del bosón de Higgs, las primeras medidas de algunos procesos muy raros y el hallazgo de estados exóticos como el pentaquark. El Modelo Estándar de la física de partículas está ahora cerrado: todas las partículas “estándar” han sido observadas y sus propiedades coinciden con las predicciones del modelo deprimentemente bien. La nueva física, si es que existe, tendrá que manifestarse a través de partículas más pesadas, o quizá sus efectos se dejen ver sólo en raras ocasiones y todavía no hayamos sido capaces de identificarlos entre el fondo de procesos estándar.

El proyecto del LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC) pretende mejorar la capacidad operativa del LHC con el fin de ampliar sus perspectivas de descubrimiento a partir de 2025. El objetivo es aumentar la luminosidad del acelerador (el número de colisiones por segundo) en alrededor de un factor diez por encima del valor original de diseño. En ese sentido se trata de una “actualización”, una mejora sobre tecnología ya consolidada, aunque requerirá una gran intervención que afectará a más de 1.200 metros de la máquina. Una vez implementada permitirá llevar a cabo estudios precisos de las nuevas partículas que el LHC ha descubierto, como el bosón de Higgs, y abrirá la puerta a la observación de procesos muy raros que no son accesibles desde la sensibilidad actual del LHC. Por ejemplo, con el LHC de alta luminosidad se producirán hasta 15 millones de bosones de Higgs por año, en comparación con los 1,2 millones producidos en 2011 y 2012.

Al aumentar la luminosidad aumentamos la sensibilidad a eventos raros, pero ¿por qué aumenta también la capacidad de descubrir nuevas partículas? En el LHC, como su nombre indica, se aceleran protones, que son partículas compuestas, formadas por un enjambre de quarks y gluones que se mueven a altas velocidades. Cuando los haces de protones se cruzan las partículas que colisionan no son los protones, sino los quarks y los gluones que hay en su interior, y cada uno de ellos transporta sólo una fracción de la energía del protón. Como la energía invertida en la colisión es la “materia prima” a partir de la cual se crean nuevas partículas, nos gustaría que ésta fuera lo más alta posible. Por desgracia es poco habitual que un solo quark o gluón acumule toda la energía del protón, así que la mayoría de las colisiones tienen una energía sensiblemente inferior. Unas pocas, sin embargo, sí son inusualmente energéticas. Así pues, una manera de tener más colisiones de alta energía es sencillamente aumentar el número de colisiones, es decir, la luminosidad del acelerador.

El desarrollo del HL-LHC depende de una serie de innovaciones tecnológicas. La primera fase del proyecto se inició en 2011 con el estudio de diseño “HiLumi LHC”. Esta fase reunió a muchos laboratorios de los estados miembros y asociados del CERN, y el Instituto de Física Corpuscular (IFIC) también participó. El estudio de diseño llegó a su fin en octubre de 2015, con la publicación del informe técnico de diseño, marcando el inicio de la fase de construcción del proyecto, tanto en el CERN como en la industria.

Los detectores de partículas que registran lo que sucede durante las colisiones van a tener también su propia actualización. Estos dispositivos han de operar en condiciones muy duras, con niveles extremadamente altos de radiación que requieren diseños muy específicos para sus sensores y su electrónica. Los detectores se han diseñado para funcionar diez años bajo las condiciones del LHC. En el momento en que el acelerador se actualice los detectores también tendrán que ser reemplazados, ya sea porque el daño inducido por la radiación es ya crítico o porque se necesita un mejor rendimiento para hacer frente las condiciones de trabajo del HL-LHC.

Cuando el HL-LHC entre en funcionamiento los detectores se encontrarán diez veces más partículas en cada cruce de los haces ‒y hay 40 millones de ellos cada segundo‒ y habrán de responder igual o mejor que en la actualidad en el LHC. Como consecuencia los trackers, las partes del detector que registran la trayectoria de las partículas, tendrán que multiplicar por cinco su granularidad, el equivalente al número de píxeles de una cámara digital, para poder dar cuenta del mayor número de partículas que los van a atravesar. Otras partes del detector, como los calorímetros, cuya función es absorber las partículas para medir su energía, no verán tanta diferencia con las nuevas condiciones de trabajo, siempre que los trackers les proporcionen información precisa sobre las trayectorias de las partículas.

De la misma manera que el buen funcionamiento de los trackers es crítico, también es de suma importancia la “inteligencia” del sistema, su capacidad para decidir si los datos registrados durante una colisión son dignos de ser almacenados para estudios posteriores. Está claro que no queremos perdernos la instantánea de una nueva partícula, ya sea porque estamos ocupados almacenando datos o porque nuestra inteligencia artificial decidió que ese evento no era lo suficientemente interesante.

Al igual que en el caso del acelerador, la actualización de los detectores requiere de grandes colaboraciones donde físicos e ingenieros de todas las disciplinas imaginables trabajan juntos para resolver los retos tecnológicos. El IFIC está jugando un papel muy importante en dos elementos fundamentales de la futura actualización de ATLAS, uno de los experimentos de propósito general que operan en el LHC. El primer elemento es la electrónica que extraerá los datos de los calorímetros, que debe llevar a cabo su función lo suficientemente rápido como para permitir que el sistema decida si los datos de una determinada colisión deben guardarse o se pueden descartar. El segundo es el diseño y construcción de una parte de los trackers, que deben ser capaces de registrar las trayectorias de las partículas con una resolución espacial de veinte millonésimas de metro. Estamos diseñando y caracterizando los sensores de silicio, los soportes donde se instalarán estos sensores, los servicios necesarios para su correcta operación (refrigeración, fibras ópticas para transmitir datos y señales de control, cables para proporcionar los voltajes adecuados) y la estructura mecánica, de tres metros de largo y dos metros de diámetro, que permitirá mantener la resolución espacial general y soportará los sensores del tracker.

"Letter of Intent for the Phase-II Upgrade of the ATLAS Experiment", ATLAS Collaboration. CERN-LHCC-2012-022 ; LHCC-I-023