La primera piedra del futuro del LHC

El futuro del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en el CERN, ya es presente. El pasado 15 de Junio se dio el pistoletazo de salida a las obras de mejora del LHC que durarán hasta el año 2026. Momento en el que verá la luz, y nunca mejor dicho, el High Luminosity LHC (HL-LHC), que proporcionará diez veces más datos de los que haya recogido el LHC hasta la fecha.

Actualmente, el LHC se encuentra funcionando a pleno rendimiento y lo está haciendo por encima de las expectativas. Pero, aunque todavía tiene cierto margen de mejora, su tecnología, que data de los años 90, está empezando a quedarse un poco antigua. Por ese motivo, en 2016 el consejo del CERN (el principal órgano de toma de decisiones) aprobó el proyecto de mejora del LHC. Un proyecto que se extenderá durante prácticamente una década y tendrá un coste aproximado de unos 950 millones de francos suizos, unos 825 millones de euros.

La idea principal detrás de esta mejora es incrementar el número de colisiones que se producen en los dos experimentos más grandes, ATLAS y CMS. El HL-LHC multiplicará por cinco el número de colisiones que se producen cada segundo en el actual LHC. De está manera, entre los años 2026 y 2036, se podrá acumular diez veces más información que toda la generada por el LHC durante 15 años. Con semejante cantidad de información deberíamos tener acceso a procesos muy raros que ocurren con una probabilidad muy baja y que pueden contener la respuesta a las grandes cuestiones de la física que todavía permanecen abiertas.

El HL-LHC es un proyecto en el que están involucrados 29 institutos de 13 países diferentes, entre los que se encuentra España. Más de un quilómetro de acelerador será

reemplazado por nuevas tecnologías que harán posible incrementar el número de colisiones en los experimentos. Para conseguirlo, la primera idea es multiplicar por dos el número de partículas que contiene cada haz de partículas. A más partículas, más colisiones. Además, se reducirá el tamaño de los haces de partículas en los puntos de colisión para aumentar así la probabilidad de que dos protones colisionen entre ellos. Para ello, se instalarán nuevos imanes superconductores alrededor de los puntos de colisión que exprimirán los haces hasta un tamaño por debajo de las 10 micras. Estos imanes especiales que llamamos cuadrupolos se encargan de focalizar el haz como si de una lente se tratase. Los actuales cuadrupolos que cumplen dicha función están fabricados de un material superconductor compuesto por una aleación de niobio y titanio (NbTi). De cara al HL-LHC, la potencia de estos imanes aumentará y se requerirá hacer uso de otro material superconductor, esta vez una aleación de niobio y estaño (Nb3Sn). Estos nuevos imanes nos permitirán sacarle todo el jugo a los protones que circulan por el LHC.

Los experimento estarán encantados de tener tanta cantidad de datos. Pero el aumento de colisiones no será, como decimos en Cataluña: “bufar y fer ampolles”. Es decir, que no será fácil. En la actualidad, cada vez que dos paquetes de partículas se cruzan en los puntos de colisión de ATLAS y CMS, entre 50 y 60 protones llegan a colisionar verdaderamente. A este número se le conoce como pile up (apilamiento) y es un auténtico quebradero de cabeza para los físicos experimentales. Éstos tienen que desenmarañar las trazas de las partículas generadas en cada una de esas colisiones y diferenciarlas para poder hacer un análisis detallado. Y si a estas alturas los experimentos ya están sufriendo la gota gorda, para el HL-LHC se espera que el pile up se incremente hasta 200. Por esta razón, los detectores también experimentarán cambios notables. Algunas de las capas más internas se reemplazarán por otras más eficientes y robustas a la vez, ya que tenemos que pensar que con el aumento de colisiones también aumenta la radiación a la que están expuestos todos los componentes de la máquina. Y no queremos que nuestro acelerador se quede como una tostada quemada el segundo día.

Como cabe esperar, el aumento de colisiones también conllevará un aumento de la información útil que viene de los experimentos y que se necesita gestionar y almacenar. La cuestión es que el centro de computación del CERN ya se encuentra a día de hoy bastante saturado, así que también va a necesitar una mejora considerable así como hacer un uso intensivo del GRID, la red global de computación que se creó a la par que el LHC.

Con la ayuda de un cangrejo

A lo largo de la mayoría del anillo, los dos haces de protones que viajan en sentidos opuestos circulan por dos tuberías diferentes. No obstante, durante los últimos metros antes de llegar a los puntos de colisión, ambos haces pasan a compartir la misma tubería. Por otro lado, el haz no es un chorro contínuo de protones sino que está formado por pequeños paquetes uno destrás de otro formando un tren en el que cada vagón está separado del siguiente unos 7 metros. De esta manera, cada paquetito de uno de los haces colisiona únicamente con un paquete del otro haz en cada punto de colisión. Pero bien podría darse el caso de que dos paquetes a los que no les “toca” colisionar entre ellos, lo hiciesen durante los 200 metros en los que comparten la misma tubería.  Para evitarlo, durante ese tramo los haces se mantienen separados para luego desviarlos transversalmente hacia el punto de colisión. De esta manera las colisiones no tienen lugar de frente estrictamente sino que lo hacen con un cierto angulo de cruce. Una de las consecuencias de este método es que los dos haces no se solapan completamente en el punto de colisión, reduciendo considerablemente el número de colisiones que se producen.

En el LHC tal cuál se encuentra ahora, esta reducción es tolerable. En cambio, la mejora del LHC conlleva la reducción del tamaño de los haces en los puntos de colisión. Esto implica que el ángulo de cruce tiene que aumentar y, en consecuencia, el número de colisiones que se producen se reduciría hasta niveles inaceptables en un acelerador que se ha construido precisamente para aumentar dicho parámetro.

Esquema de funcionamiento de las cavidades de cangrejo que se instalarán en el LHC.

Para contrarrestar el efecto que produce el ángulo de cruce, se instalarán unos nuevos dispositivos especiales que, mediante un campo eléctrico, aplicarán a los haces una rotación transversal de tal manera que, pese a colisionar con un cierto ángulo, cada par de paquetes colisionando lo hará de frente, recuperando así la luminosidad perdida. Estos dispositivos se llaman “crab cavities” (cavidades de cangrejo) y han comenzado ya a probarse con éxito en el mismo acelerador que proporciona los protones al LHC, el Super Proton Synchrotron (SPS). En la imagen siguiente vemos la distribución del haz antes y después de aplicar la rotación del haz, donde se puede apreciar como la “cabeza” del haz se levanta cuando encendemos la crab cavity. Este resultado representa uno de los pilares fundamentales de cara a las posibilidades que ofrecerá el HL-LHC.

Demostración de la rotación de los paquetes de protones bajo el efecto de las cavidades de cangrejo en el SPS

Para el HL-LHC se instalarán un total de 8 crab cavities, 2 a cada lado de cada uno de los experimentos de alta luminosidad, ATLAS y CMS. Para un correcto funcionamiento, se necesita que estas cavidades se encuentren correctamente posicionadas y orientadas con precisiones sub-milimétricas.

Más allá del LHC

Aunque el LHC sufrirá un cambio sustancial, no será el único acelerador del CERN que lo hará. Toda la cadena de aceleradores que se encarga de llevar los protones desde la fuente en la que se crean hasta el LHC también necesitará de una mejora considerable para poder cumplir con las nuevas exigencias.

Más allá de los nuevos componentes puramente de la máquina, otro de los ingredientes fundamentales para incrementar la luminosidad total es mejorar el tiempo en el que la máquina se encuentra disponible para producir colisiones. Para ello, se recolocará parte del equipo para hacerlo más accesible durante las tareas de mantenimiento. Se construirán también nuevas galerías subterráneas y túneles donde se colocarán las nuevas instalaciones de criogenia, electricidad, refrigeración y ventilación.

Durante gran parte del tiempo que duren las obras, el LHC continuará funcionando con normalidad. Las obras de mejoran irán en paralelo hasta que el año 2024 se paré durante más de dos años para acabar de realizar la mejora y que el HL-LHC vea la luz.

Al LHC le espera un futuro brillante.

Este artículo lo escribe Héctor García Morales. Estudió física en la Universitat de Barcelona, completó un máster en aceleradores de partículas para posteriormente acabar realizando el doctorado en el CERN. En paralelo al doctorado hizo un Máster en Comunicación Científica en la UPF. Actualmente es postdoc en el CERN a través de la Royal Holloway University of London y trabaja en la mejora del LHC. Posee un canal de divulgación sobre el CERN: CERNtrípetas (Youtube y Twitter). Explicar ciencia es lo mejor que le puede pasar a un científico.

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Por Colaborador Invitado
Publicado el ⌚ 13 julio, 2018
Categoría(s): ✓ Física • Instantáneas desde el CERN • Tecnología