Comienzan los trabajos para incrementar la luminosidad del LHC
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) entra oficialmente en una nueva fase. Hoy se ha celebrado una ceremonia en el laboratorio europeo de física de partículas (CERN) que marca el inicio del trabajo de ingeniería civil para el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC, por sus siglas en inglés): un nuevo hito en la historia del CERN. Al incrementar el número de colisiones en los grandes experimentos, esta gran actualización mejorará el rendimiento del LHC a partir de 2026, aumentando la probabilidad de descubrir nuevos fenómenos de la Física.
El LHC comenzó sus colisiones entre partículas en 2010. Dentro de los 27 kilómetros del anillo del LHC, paquetes de protones viajan casi a la velocidad de la luz y chocan en cuatro puntos. Estas colisiones generan nuevas partículas que se miden en los detectores situados en los puntos de interacción. Analizando estas colisiones, físicos de todo el mundo profundizan en el conocimiento de las leyes de la naturaleza.
Mientras que el LHC es capaz de producir hasta 1.000 millones de colisiones entre protones cada segundo, el HL-LHC incrementará este número, conocido como ‘luminosidad’, en un factor 5 o 7, permitiendo acumular 10 veces más datos de 2026 a 2036. Esto supone poder investigar fenómenos físicos muy infrecuentes y obtener medidas mucho más precisas de los conocidos. Por ejemplo, el LHC permitió descubrir el bosón de Higgs en 2012 y probar cómo adquieren sus masas las partículas. Esta mejora del HL-LHC permitirá definir con mayor precisión las propiedades del bosón de Higgs. Además, se investigarán teorías más allá del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones, incluyendo la supersimetría, la existencia de dimensiones extra o si los quarks, los ladrillos que componen la materia visible, están compuestos por algo más elemental aún…
“El LHC de Alta Luminosidad extenderá el alcance del LHC más allá de su objetivo inicial, aportando nuevas oportunidades para lograr nuevos descubrimientos, medir las propiedades de partículas como el bosón de Higgs con mayor precisión y explorar los constituyentes fundamentales de la naturaleza de forma aún más profunda”, declara la Directora General del CERN Fabiola Gianotti.
El proyecto del LHC de Alta Luminosidad es un esfuerzo internacional que implica a 29 instituciones de 13 países, incluida España con el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). Comenzó en 2011 y fue incluido dos años después entre las prioridades de la Estrategia Europea de Física de Partículas, la hoja de ruta de la disciplina. Tras el éxito de la fase de pruebas, se construirán e instalarán muchos elementos nuevos en el LHC en los próximos años. Algo más de un kilómetro del actual acelerador se reemplazará completamente con nuevos componentes como imanes, colimadores y cavidades de radiofrecuencia.
Componentes que mejoran el LHC
El secreto para incrementar las colisiones es reducir el tamaño del haz de partículas en los puntos de interacción para incrementar las probabilidades de que los protones choquen entre sí. Para conseguir esto, el LHC necesita unos 130 imanes nuevos. En particular, 24 nuevos imanes superconductores cuadrupolos (que mantienen concentrado el haz) y 4 nuevos imanes superconductores dipolos (que se encargan de curvar la trayectoria de los haces). Ambos alcanzan un campo de más de 11,5 tesla, comparado con los 8,3 de los actuales imanes dipolo del LHC. Además, se instalarán 16 nuevas cavidades electromagnéticas (crab cavities) para incrementar la superposición de los paquetes de protones en los puntos de colisión.
Otro ingrediente clave para incrementar la luminosidad del LHC es aumentar la disponibilidad y eficiencia del acelerador. Para ello, el proyecto HL-LHC desplazará algunos equipamientos que serán más accesibles para su mantenimiento. Los transformadores de energía de los imanes se llevarán a galerías separadas del anillo del acelerador, conectándolos con nuevos cables superconductores capaces de transmitir una carga eléctrica de hasta 100.000 amperios sin apenas disipar energía.
Para ello se realizarán grandes obras de ingeniería principalmente en dos localizaciones del LHC en Suiza y Francia, que incluyen la construcción de nuevos edificios, cavernas y galerías subterráneas. Los túneles y salas bajo tierra albergarán nuevo equipamiento criogénico, el suministro de energía eléctrica y varias plantas de electricidad, refrigeración y ventilación.
El LHC continuará funcionando durante estos trabajos con periodos de largas paradas técnicas que, además de realizar las actividades de mantenimiento habituales, servirán para preparar el acelerador y sus experimentos para la alta luminosidad. Tras completar esta gran mejora, se espera que el LHC comience a producir datos en modo alta luminosidad a partir de 2026. Así, alcanzar las fronteras de la tecnología de aceleradores y detectores también facilitará el camino para futuros aceleradores de mayor energía.
Participación del IFIC en el LHC de Alta Luminosidad
El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), Centro de Excelencia Severo Ochoa del CSIC y la Universitat de València, juega un papel muy importante en dos elementos fundamentales de la futura actualización de ATLAS, el más grande de los detectores de propósito general del LHC con sus 46 metros de largo y 25 de alto. El primer elemento es la electrónica que extraerá los datos de los calorímetros, instrumentos que miden la energía de las partículas producidas en las colisiones. Con el incremento de las mismas en el HL-LHC, esta electrónica tiene que ser lo suficientemente rápida como para permitir que el sistema decida si los datos de una determinada colisión deben guardarse o se pueden descartar.
El IFIC ha diseñado el sistema de lectura del calorímetro hadrónico de ATLAS, compuesto por nuevos módulos electrónicos que incrementan la velocidad de transmisión y procesamiento de datos: cada uno procesará 160 gigabits por segundo, casi la totalidad del sistema actual. En total, la nueva electrónica del calorímetro hadrónico procesará unos 40 terabits por segundo.
Por otra parte, el IFIC también participa en el diseño y construcción de una parte de los sensores de silicio que forman el detector de trazas de ATLAS, la parte más cercana a las colisiones que registra las trayectorias de las partículas con una resolución espacial de millonésimas de metro. Estos sensores han de soportar niveles de radiación 10 veces superiores a los actuales debido al incremento de las colisiones del HL-LHC.
El IFIC ha liderado el diseño y la prueba de uno de los dos tipos de sensores de silicio que lo componen, de tipo strip, así como los soportes de fibra de carbono 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.
En total una treintena de personal del IFIC está implicada en las labores de actualización de ATLAS, que culminarán con la instalación de los nuevos sistemas a partir de 2024 para el inicio del LHC de Alta Luminosidad en 2026. Además, se han formado dos nuevos doctores asociados a este trabajo, y 6 trabajos fin de máster.
Por otro lado, el IFIC también contribuye al nuevo sistema de reconstrucción de trazas del experimento LHCb (llamado SciFi), en particular al diseño y producción de la electrónica de lectura de datos, así como al desarrollo de algoritmos de reconstrucción y selección de eventos (trigger) especialmente orientados a partículas de larga vida media. Esta actualización de LHCb se llevará a cabo aprovechando la próxima parada técnica del LHC (2019-2020). Además, el IFIC participa en el desarrollo del programa de investigación en física de blanco fijo del experimento LHCb, en particular de un sistema basado en cristales curvados optimizado para medidas de momentos magnéticos y eléctricos de bariones pesados (un tipo de partícula compuesta).
Más información:
Datos básicos y participación española en el LHC de Alta Luminosidad
Instalación de un colimador en el punto 1 del LHC en 2018 como parte del proyecto de Alta Luminosidad del acelerador. Fotografía: Maximilien Brice, Julien Marius Ordan / CERN.
