Belle II es un experimento desarrollado en el colisionador electrón-positrón SuperKEKB, situado en la ciudad de Tsukuba, en la prefectura de Ibaraki, Japón. Se trata de un experimento diseñado para la búsqueda de nueva física más allá del Modelo Estándar. La colaboración Belle II consiste en más de 1200 miembros de 28 países y regiones. La Euskal Herriko Unibertsitatea y el IFIC (CSIC-UV) son los únicos centros de España.

Su programa de física se centra en estudios de precisión de quarks pesados y leptones —un campo conocido como "física del sabor"— a través de procesos extremadamente raros y experimentalmente complejos. Al comparar mediciones de alta precisión con predicciones teóricas, Belle II tiene como objetivo descubrir posibles indicios de nuevas partículas o fuerzas más allá de las teorías actuales.

Recientemente, el experimento ha alcanzado un gran hito al haber superado el volumen total de datos acumulado por su predecesor, Belle, al tiempo que Cristina Castro Sequeiro, investigadora del IFIC, ha sido nombrada responsable de la integración y diseño mecánico para la renovación de Belle II y de SuperKEKB.

Luminosidad de récord

Belle II estudia las colisiones producidas en SuperKEKB, que hace colisionar electrones y positrones a una alta energía. Estas colisiones producen, entre otras partículas, pares de mesones y antimesones B, cuyo comportamiento es de gran interés para poner a prueba el Modelo Estándar de la física de partículas con una gran precisión. Para analizar dicho comportamiento resulta indispensable acumular una inmensa cantidad de datos experimentales y la "luminosidad" es el indicador clave de este volumen de datos.

La luminosidad de un colisionador es una magnitud proporcional a la cantidad de colisiones que es capaz de producir. Es un valor esencial de los colisionadores porque cuanto mayor es la luminosidad, mayores son las opciones de dar con eventos inusuales, esenciales para descubrir nuevos fenómenos de la naturaleza. SuperKEKB fue diseñado para alcanzar luminosidades de récord gracias a su esquema de colisión de nano-haz, el cual aumenta significativamente el número de colisiones al contar con haces extremadamente pequeños en el punto de colisión.

Belle, predecesor de Belle II que operó desde 1999 hasta 2010, registró a lo largo de su trayectoria 772 millones de datos de pares de mesones B correspondiendo a una luminosidad integrada de 711 fb^-1 (femtobarns a la inversa). Belle jugó en su momento un papel crucial en la descripción de la violación CP en los quarks a través del Modelo Estándar, liderando descubrimientos que contribuyeron decisivamente al Premio Nobel en Física de 2008 otorgado a Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa.

El pasado 17 de mayo Belle II alcanzó un hito en su producción de datos: ha superado a Belle en el total de colisiones recopiladas. A 4 de junio, Belle II había alcanzado una luminosidad integrada de 862 fb^-1, y continúa creciendo. El hito llega durante un periodo marcado por luminosidades instantáneas de récord, una sostenida toma de datos de alta eficiencia y una mejora constante que han permitido que Belle II consiga una toma de datos tres veces más rápida que su antecesor.

Carlos Mariñas, investigador del IFIC y viceportavoz del experimento, nos explica la importancia de este hito y el papel del IFIC en su desarrollo:

"Hemos alcanzado un hito al superar la cantidad total de datos recopilados por el proyecto Belle original con el nuevo experimento. El IFIC juega un papel fundamental en este logro histórico, que nos adentra de lleno en un territorio inexplorado en la búsqueda de nueva física. Nuestro equipo no solo ha participado activamente en el desarrollo del detector actual y la optimización de la toma de datos, sino que lideramos los desarrollos de la mejora del experimento programados para principios de la década de 2030"

El buen desempeño de Belle II tiene una importancia a gran escala, ya que las colisiones electrón-positrón son las más prometedoras respecto al descubrimiento de nueva física. Precisamente por ello, la recientemente actualizada Estrategia Europea para la Física de Partículas ha establecido un gran colisionador de este tipo —el Futuro Colisionador Circular (FCC-ee)— como la opción predilecta para el próximo gran proyecto en el CERN. El conocimiento en instrumentación avanzada desarrollado para Belle II será de gran valor a la hora de hacer realidad proyectos de esta envergadura.

"La experiencia obtenida del diseño y operación del experimento Belle II en un acelerador de partículas con nanohaces y altas corrientes como SuperKEKB nos permite al IFIC, también, situarnos en una posición de liderazgo de cara a los desarrollos experimentales destinados a la factoría de Higgs, el siguiente gran proyecto en la física de partículas internacional."

La actual toma de datos de SuperKEKB y Belle II está programada para continuar hasta finales de junio y comenzará de nuevo después del verano. Se espera que pronto supere la cifra de 1000 fb^-1 de luminosidad integrada.

Cristina Castro, del IFIC, nombrada ingeniera jefa

El alto rendimiento alcanzado requiere de una operación del acelerador excepcionalmente estable a alta luminosidad, lo cual es un gran reto de ingeniería dentro de la colaboración. Para ello, es necesario producir haces de electrones y positrones de alta intensidad con el acelerador lineal, inyectarlos de manera eficiente en los anillos principales a través del sistema inyector, y ajustar y controlar con precisión dichos haces en los anillos principales. La estabilidad ha estado limitada por fenómenos de pérdida repentina del haz, en los cuales una fracción del haz se pierde con pocos o ningún indicio previo. Estos desafíos, previamente desconocidos, se han ido resolviendo de manera gradual, lo que permite una operación sostenida cerca del nuevo récord de luminosidad instantánea.

Para el año 2032 está prevista una mejora de SuperKEKB y Belle II en el marco de una larga parada técnica que aumentará todavía más su eficiencia y que supondrá, también, un gran reto técnico. La investigadora del IFIC Cristina Castro Sequeiro será la encargada de liderar esas operaciones.

Sus responsabilidades incluirán la planificación del proyecto y de la integración mecánica de los sistemas de detección. Se trata de un puesto de enorme responsabilidad que asume con gran motivación:

“El upgrade de Belle II supondrá una reestructuración del detector, con un impacto directo en las capacidades futuras del experimento. Estar al frente de esta mejora no solo representa un reto técnico muy interesante, sino también una responsabilidad importante en una etapa clave para el desarrollo del detector. Es una oportunidad única, posible gracias a la experiencia e implicación del IFIC en el proyecto. Agradezco la confianza de la colaboración al seleccionarme para este puesto y afronto este nuevo reto con ilusión y muchas ganas de trabajar para que el upgrade sea un éxito.”

Deberá colaborar estrechamente con los responsables de la mejora del acelerador y el detector para asegurar una total compatibilidad entre diseños, así como coordinar aportaciones de los diversos institutos de la colaboración:

“Mi puesto abarca el diseño mecánico de distintos elementos del detector, incluyendo aspectos estructurales y térmicos, la integración de los nuevos subsistemas tanto dentro del detector como con los sistemas adyacentes del acelerador, así como la gestión del proyecto. Es un trabajo complejo que requiere una colaboración constante entre los diferentes grupos implicados.”

El nombramiento de Cristina pone de manifiesto la importante labor que el IFIC viene realizando en Belle II y que, a buen seguro, aportará grandes resultados en el futuro.