El acelerador SuperKEKB, el ‘buque insignia’ de la Organización para la Investigación de Aceleradores de Alta Energía de Japón (KEK), alcanzó el pasado 21 de junio la luminosidad instantánea más alta del mundo en un acelerador de haces de partículas, registrando un récord de 2,40×10³⁴cm^-2s^-1. La luminosidad instantánea es la medida del número de partículas por superficie y tiempo en un haz; al mantener esta cantidad durante un período se obtiene la luminosidad integrada, que mide la cantidad de colisiones que se pueden producir en un acelerador de partículas, clave para buscar nueva física.

Desde que se produjeron las primeras colisiones electrón-positrón en abril de 2018, el laboratorio KEK ha estado mejorando continuamente el rendimiento de SuperKEKB hasta alcanzar el pasado 15 de junio un nuevo récord de luminosidad instantánea con 2,22×10³⁴ cm^-2 s^-1. Superaba así el anterior registro, logrado por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en 2018 con colisiones entre protones: 2,14×10³⁴ cm^-2 s^-1. Anteriormente, el récord lo ostentaba KEKB, el predecesor de SuperKEKB que funcionó entre 1999 y 2010, que logró alcanzar los 2,11×10³⁴ cm^-2 s^-1.

En los próximos años, la luminosidad de SuperKEKB se incrementará unas 40 veces la cantidad establecidad por el nuevo récord. Esto se conseguirá gracias a la utilización de un método de colisiones entre haces llamado 'nano beam scheme', desarrollado por el físico italiano Pantaleo Raimondi. Consiste en incrementar la luminosidad usando potentes imanes para reducir los dos haces tanto en vertical como en horizontal. Reducir sustancialmente el tamaño de los haces incrementa la luminosidad, puesto que esta varía inversamente a la sección eficaz de los haces que chocan.

SuperKEKB es el primer acelerador del mundo en utilizar esta técnica. La operación de los haces de SuperKEKB es capaz de reducir mucho los haces de tamaño solventando a la vez algunos problemas asociados. Actualmente, el tamaño vertical de los haces en el punto de colisión es de 220 nanómetros (10−9 metros), y se reducirá aún más en el futuro hasta alcanzar los 50 nanómetros.

Otro factor que determina la luminosidad es el producto de las dos corrientes de los haces, proporcional al producto del número de electrones y positrones almacenado en el colisionador. Los físicos y técnicos de KEK continúan incrementando los corrientes de los haces mitigando varios problemas asociados como la aparición de partículas ‘de fondo’ que introducen ‘ruido’ en el detector Belle II. SuperKEKB ha alcanzado este nuevo récord de luminosidad con una corriente de haz menor del 25% de la lograda en su predecesor KEKB. En el futuro se espera incrementar la corriente del haz hasta cuatro veces la conseguida entonces.

Para adoptar esta nueva técnica de ‘nano-beam scheme’ e incrementar la corriente del haz, KEKB se sometió a importantes mejoras que lo convirtieron en SuperKEKB. Este incluye un nuevo tubo para el haz, nuevos imanes superconductores, un anillo de enfriamiento de positrones y un inyector avanzado. El avance más reciente se completó en abril de este año: la introducción de un dispositivo (crab waist) usado en el acelerador italiano DAΦNE, que reduce el tamaño del haz y estabiliza las colisiones.

SuperKEKB lleva los haces de electrones y positrones a su colisión en el centro del detector Belle II, construido y operado por una colaboración de más 1.000 físicos e ingenieros de 119 instituciones y 26 países, entre los que se encuentra el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València). Entre las nuevas tecnologías desarrolladas para Belle II está DEPFET, una nueva generación de detectores que se ubica en el punto más cercano a las colisiones para reconstruir el resultado de los choques de las partículas con gran precisión.

Están compuestos por una única pieza de silicio que integra el sensor y el soporte mecánico, a la que se sueldan los chips de lectura. El resultado es un detector de píxeles que, por su extremada delgadez (75 micras en la zona activa), reduce el material que altera la trayectoria de las partículas cargadas generadas en las colisiones. Esto, junto al reducido tamaño de sus píxeles, hace que pueda reconstruir el origen de las partículas con una precisión de 10 micras.

El IFIC participa desde hace más de una década en el desarrollo de este tipo de detector, coordinando primero las pruebas con haces de partículas y luego la estrategia de refrigeración del detector. Además, el IFIC ha diseñado y producido la electrónica para comprobar el correcto funcionamiento de los diferentes módulos de DEPFET una vez ensamblados. Carlos Mariñas, investigador formado en el IFIC, ha sido responsable de la operación de Belle II y actualmente es coordinador técnico adjunto del experimento. Después de pasar casi una década como investigador en la Universidad de Bonn, Mariñas se incorporó en 2019 al IFIC gracias a un contrato del Programa para el apoyo a personas investigadoras con talento (Plan GenT) de la Conselleria d' Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana.

Con 10 años previstos de toma de datos, el experimento Belle II acumulará 50 veces más colisiones de partículas que su predecesor. Este conjunto de datos, estimado en 50.000 millones de colisiones entre pares de mesones B (partículas que contienen quarks bottom) y un número similar de mesones ‘encantados’ (con quarks charm) y leptones tau (un pariente del electrón), permitirá a los físicos de Belle II explorar la naturaleza a un nivel más profundo que el alcanzado previamente.

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