LHC: La maquina que explora la Terra incognita de lo infinitamente pequeño

Por Colaborador Invitado, el 2 diciembre, 2022. Categoría(s): Física • Ingeniería

A partir del lunes 28 de noviembre el LHC (Gran Colisionador de Hadrones en inglés) entra en hibernación hasta marzo. La fecha inicial era el 12 de diciembre, pero la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), que hospeda el acelerador, decidió cerrarlo dos semanas antes por el contexto de crisis energética en Europa. Y es que la máquina más grande del planeta chupa una cantidad fenomenal de energía de la red eléctrica francesa: 190MegaWatt, un consumo equivalente al de 240.000 hogares medios.

Aprovechando esta ocasión, vamos a presentar el funcionamiento del LHC, las mejoras que le realizaron recientemente, y lo que los físicos esperan descubrir gracias a él durante los tres próximos años.

MC²=E

El LHC consiste en acelerar dos haces de protones para que se choquen uno contra el otro. Esas colisiones generan profusiones de materia y energía, en medio de las cuales los físicos esperan ver aparecer partículas de naturaleza desconocida, del mismo modo que descubrieron el bosón de Higgs hace 10 años. Cuanta más alta sea la velocidad de los protones y más protones haya en los haces, más chances tendrán de descubrir nuevas partículas. Por esta razón tuvieron que reformar todo el circuito de aceleración durante tres años.

Ahora, lo que apodan “la máquina de 9000 imanes” tiene una potencia nunca antes alcanzada. Es capaz de acelerar protones a máximos históricos, hasta el 99,999999048612 % de la velocidad de la luz. Antes de las reformas alcanzaba apenas el 99.999998958765%. ¿Tantas obras, tanto dinero para una diferencia tan insignificante? Es que en estos rangos de velocidad, cerca del de la luz, aumentarla un pelín requiere gastar un montón de energía.

En términos de energía se nota un poco más la diferencia: los protones ahora tendrán una energía de 6,8TeV, en contraste con los 6,5Te que alcanzaba antes. (TeV es la unidad de medida de la energía y significa Tera electronVoltios, o sea un billón de electronvoltios).

 

Wikipedia

En esta gráfica se ve en rojo la energía cinética que hay que proporcionar a una partícula para acercarla a la velocidad de la luz: es exponencial. Esto demuestra que en el futuro les costará cada vez más a los científicos del LHC aumentar la velocidad de los protones, aunque solo sea incrementarla un poquito.

MÁS LUMINOSIDAD

Pero los ingenieros no solo aumentaron la energía del LHC, es decir, la velocidad de los protones, sino que también se aseguraron de que aumente lo que llaman su «luminosidad»: el número de colisiones que el LHC produce por segundo. Esto ocurre porque las partículas exóticas, si existen, emergerán muy raramente de las colisiones, claro, si fueran fáciles de producir ya se habrían descubierto. Por ejemplo, ¡el bosón de Higgs mismo solo tenía una posibilidad entre mil millones de aparecer en una colisión! Los riesgos de falsos positivos son tan probables en física de partículas que es necesario recopilar millones de detecciones antes de poder validar la existencia de una nueva partícula. Así que los físicos pidieron una revolución estadística a los ingenieros, los cuales hicieron todo lo posible para traérsela. La idea es llevar al máximo posible la concentración de protones de los haces y así aumentar la probabilidad de encuentro cuando los dos haces chocan en el túnel del LHC.

Para hacerla los ingenieros no tuvieron otra elección: parar el LHC y reformar cada uno de los segmentos de la cadena de aceleración. Así que en Octubre del 2018 se acabó el “RUN2”, la segunda fase de recolecta de datos que estaba en curso, y el LHC dejó de funcionar durante casi 4 años para que los ingenieros prepararan el “RUN3”, que está en curso desde julio del 2022. En los tres próximos años el RUN3 debería generar tantas colisiones como las generadas por el Run 1 y el Run 2 juntos: más de treinta miles de millones de millones…

Duración del RUN3 del LHC: desde julio de 2022 hasta noviembre del 2026

Principal objetivo del RUN3 del LHC: buscar partículas exóticas jamás observadas antes.

Especificidad del RUN3 en comparación con los dos run anteriores: La energía y la cantidad de colisiones protón-protón generadas por el acelerador son más altas, gracias a tres años de reformas que costaron 650 millones de euros.

En esta imagen se aprecian los diferentes segmentos del complejo de aceleradores que fueron todos reformados entre 2018 y 2022: los protones salen de un tanque de hidrógeno, son acelerados una primera vez por el LINAC4, luego por el BOOSTER, después pasan al PS y posteriormente al SPS donde alcanzan una energía de 450 GeV (Giga electrovoltios). En este punto su velocidad ya es de 0,999997828 % la de la luz. Pero lo más difícil aún queda por hacer, entonces son inyectados en el gigante LHC según dos haces que circulan en sentido contrario. El LHC los acelera aún más, hasta que alcanzan la energía de 6,8 TeV cada uno. Cuando esta fase se acaba los ingenieros acercan lentamente los haces uno hacia el otro hasta que se crucen y que los protones choquen entre sí.
Aquí se ve el famoso tanque de hidrógeno del LHC.
Aunque el Gran Colisionador de Hadrones es la máquina más grande jamás construida, la cantidad de protones que acelera es extremadamente pequeña: 600 millones de millones de protones. Parece mucho pero en realidad todos esos protones pesan solo alrededor de 5 nanogramos (5 milmillonésimas de gramo). Así que esta botella de hidrógeno contendría suficientes protones para garantizar que el LHC funcione durante 200.000 años.

De este tanque se extraen los átomos de hidrógeno que, tras la ablación de sus electrones, forman los protones que se inyectan en un primer acelerador: el LINAC4.

LINAC 4 CERN

«Para aumentar la cantidad de protones por paquete, tuvimos que construir una máquina completamente nueva, el Linac4» Rende Steerenberg.

Al contrario de los otros aceleradores de la cadena que ya existían antes, el LINAC4 fue diseñado y construido especialmente por el Run3. Gracias a él, los ingenieros piensan alcanzar en los próximos meses 180 mil millones de protones por paquete, en comparación con los 110 producidos por el Run2: así se podrá aumentar lo que llaman la luminosidad del LHC.

Después del LINAC4 los paquetes pasan al acelerador siguiente, el BOOSTER, donde empiezan los problemas: puesto que los protones son partículas cargadas eléctricamente, si se aumenta la concentración de los haces como lo ha hecho el nuevo LINAC4, todo el resto del circuito tiene que ser adaptado en consecuencia, el BOOSTER, EL PS, el SPS, y el LHC mismo. Y esto por dos razones:

1) porque un haz dos veces más concentrado en protones tiene el doble de carga eléctrica, por lo tanto su trayectoria es más difícil de controlar con imanes, además de ser potencialmente más peligroso para el equipo que se ve perturbado por el campo eléctrico y el calor que provocan los paquetes de protón cuando pasan.

2) Por otra parte, porque los protones se repelen entre sí: a medida que el haz viaja por los túneles consecutivos tiende a expandirse, como el haz de una linterna que diverge al propagarse en el espacio el haz también pierde su compacidad.

Es para hacer frente a estos dos defectos que los ingenieros tuvieron que mejorar el rendimiento de toda la cadena de inyectores. Por ejemplo:

1) tuvieron que renovar completamente el sistema de radiofrecuencia de las “cavidades aceleradoras” del SPS, que es el cuarto segmento de aceleración.

2) También tuvieron que sustituir el «imán septum» que desvía el haz para extraerle del SPS e inyectarlo adentro del LHC: el imán anterior no era lo suficientemente potente como para desviar la trayectoria de los paquetes a las densidades de protones previstas para el RUN3.

3) Para hacerse una idea del tamaño de los paquetes una vez en el LHC, cada uno tiene la longitud y el diámetro aproximados de un espagueti, y se siguen en el túnel, separados por un espacio de longitud equivalente a 24 espaguetis. Dan vueltas en el túnel de 26,9km de circunferencia, que les acelera gradualmente gracias a cavidades aceleradoras colocadas a todo lo largo del LHC.

La trayectoria de los protones también está guiada por imanes superconductores para que giren en bucle y que no se estallen en las paredes del túnel. Solo que los campos magnéticos de los imanes del Run2 no eran lo suficientemente fuertes para desviar los paquetes más energéticos del RUN3, por lo que los imanes también tenían que ser reforzados. Para ello, los ingenieros hacen circular una corriente eléctrica de 11.600 amperios a través de cada imán. “El problema es que a tal intensidad la más mínima perturbación provoca localmente una pérdida de superconductividad y, por lo tanto, un aumento repentino de la temperatura del imán que, si no se controla bien, ¡podría provocar la explosión de una sección entera del túnel!”, como me lo explicó Delphine Jacquet, ingeniera responsable del LHC.

Delphine Jacquet / CERN.

Para evitar tal desastre, los equipos técnicos tuvieron que “entrenar” sus imanes, aumentando la intensidad eléctrica muy poco a poco, hasta los 11.600 amperios. Y tuvieron que aplicar también el mismo tratamiento a los imanes de compresión, cuyo papel es el de reducir el diámetro de los paquetes aún más en el momento en el que alcanzan su velocidad máxima: para aumentar aún más la probabilidad de encuentros entre los protones, los imanes aplastan los espaguetis para que tengan el grosor de 15 micrómetros (o sea, un pelo cortado en tres).

Este encuentro entre los dos haces contrarios tiene lugar adentro de cada uno de los cuatro instrumentos de detección, que por supuesto también han sido renovados, en particular dos de ellos, Alice y LHCb, que ahora son equipados con un nuevo instrumento de medición. Por ejemplo, el LHCb anuncia que en run3 podrá detectar 10 veces más partículas que durante el run2.

El detector Alice, de “A Large Ion Collider Experiment”; en español: Gran Experimento Colisionador de Iones. Se puede intuir su tamaño gracias por los técnicos que se ven a la derecha de la imagen. CERN.

¡Incluso los “beam dumps” han sido reforzados! Estos bloques cilíndricos de grafito son como el «cubo de basura» del LHC, donde se envían a estallar los rayos de los que se quieren deshacer.

¡Al final quizás el único elemento que ha permanecido sin cambios con respecto al Run2 es la bombona de gas al comienzo de la cadena!», me dijo Rende Steerenberg, jefe del grupo de operaciones del acelerador cuando lo entrevisté.

Rende Steerenberg. CERN

EL RETORNO, UN LENTO SALIR DE HIBERNACIÓN

Por fin, después de 3 años de parón, fue en abril del 2022 que los ingenieros y técnicos iniciaron el arranque lento de la máquina. Después de tres meses de limpieza de las cámaras de vacío donde circulan los haces, del enfriamiento de los imanes a -271,3°C, y de toda una batería de pruebas, todo estaba listo para el 5 de julio, que era la fecha oficial de inauguración de Run3, 10 años después del descubrimiento del bosón de Higgs.

«No era la primera vez que reiniciamos el LHC, pero estábamos nerviosos», recuerda Delphine Jacquet. Había razones: ¡la ceremonia era transmitida en vivo por internet y 13.000 físicos de todo el mundo esperaban la vuelta del LHC! Los ingenieros habían tenido un susto esa misma mañana cuando uno de los imanes perdió su superconductividad por culpa de una avería en un criogenerador. Los técnicos tuvieron que bajar al túnel para localizar y resolver el problema. “El incidente se resolvió en el último momento, justo a la hora prevista para el reinicio oficial”, cuenta Delphine Jacquet.

Todo pasó perfectamente: dos haces de tres paquetes de protones, cada uno con 120 mil millones de protones, empezaron su recorrido a través de los aceleradores hasta llegar al LHC, ¡lo cual en veinte minutitos los llevó a la velocidad récord de 11.250 vueltas por segundo! Ya tenían su energía máxima. Luego, después de la estabilización de los haces, la fase de compresión los comprimió a 17 micras de diámetro. Entonces los dos haces originalmente separados por medio milímetro fueron dirigidos lentamente uno hacia el otro… y de repente, sonaron aplausos en las salas de operaciones: por primera vez en tres años en las pantallas se veían ocurrir colisiones protón-protón. ¡Por fin el LHC estaba de vuelta, un nuevo capítulo se abría para la física de partículas!

“¡Nos sentimos como si pasáramos de conducir un automóvil de veinte años a un automóvil deportivo moderno con mucha más potencia!” Rende Steerenberg.

Desde entonces el reinicio ha sido progresivo: de tres paquetes contra tres lanzados aquel día, pasaron a 50 contra 50 en las semanas siguientes y subirán poco a poco hasta 2748 vs 2748 en los próximos meses, que es el máximo posible que pueden circular en el LHC. Las colisiones no paran en los detectores, representan millones de terabytes de datos almacenados en cintas magnéticas que los físicos tienen que registrar. En busca de qué, es lo que ahora vamos a resumir. Pero antes, para entenderlo, hay que recordar que un protón no es una partícula elemental, sino compuesta de otras más pequeñas, tres cuarks y tres gluones que mantienen los cuarks atados entre sí. Así que, cuando dos protones colisionan, en realidad, son unas de esas subpartículas que chocan.

La física del RUN3: ¿Qué buscan los físicos?

1) primero los famosos bosones de Higgs: Aunque el Higgs fue descubierto hace 10 años, sus propiedades físicas aún no se han detallado, queda mucho por hacer.

“Las partículas son como las personas: una vez que las encuentras por primera vez, se tarda años en conocerlas de verdad”. Frédérick Bordry, ex-director de Aceleradores y Tecnología del CERN
Cuando dos cuarks chocan a veces se pueden convertir en un bosón que enseguida se descompone para formar un bosón de Higgs. Los físicos quieren generar muchos bosones de Higgs para estudiar en detalle sus características.

2) Junto con el bosón de Higgs, los físicos también buscan rastros de la legendaria supersimetría. Esta teoría predice que cada partícula del Modelo Estándar tendría un «supercompañero», lo que duplicaría el número de partículas que existen en la naturaleza. Muchos físicos se adhieren a esta teoría… pero hasta ahora nadie jamás ha visto ni rastro de una partícula supersimétrica.

Un squark es el equivalente supersimétrico al cuark. Podría aparecer tras la colisión de dos gluones, por ejemplo.

3) “personalmente, lo que espero sobre todo es ver con más datos si se confirman las anomalías que aparecieron durante el Run2, y en qué dirección eso nos guiará en la búsqueda de la nueva física» Nazila Mahmoudi, física teórica de la Universidad de Lyon y en el CERN.

Nazila Mahmoudi. CERN

Entre estas anomalías, los físicos habían medido un desequilibrio entre la cantidad de electrones y muones generados por la desintegración de partículas con un cuark b. Ese desequilibrio podría deberse a una nueva partícula, el leptocuark. Con sus nuevas capacidades, el LHC debería poder detectarlo… si existe, claro.

El leptocuark podría emerger de la colisión de un cuark y un gluon.

CONCLUSIÓN

¿Y si no encontramos nada de todo eso? ¿Tanto dinero público, tantas obras, tantos esfuerzos habrían sido en vano?

«En absoluto. Si no encontramos ninguna partícula nueva será igualmente un resultado importante. ¡Recuerdo que lo que hacemos es exploración! es como navegar en un océano en busca de islas desconocidas. Si no encontramos ninguna, pues sabemos que no hay, el área habrá sido mapeada». Nazila Mahmoudi

Dentro de cuatro semanas, el LHC volverá a su misión de exploración de lo infinitamente pequeño. En unos meses estará funcionando al 100% de sus capacidades… ojalá desentierre tesoros insospechados de la física de partículas.

Este artículo nos lo envía Benoît Rey (Montauban, 1982) periodista científico independiente. Ha publicado cientos de artículos en revistas divulgativas sobre física y astrofísica principalmente.

Gracias a Lorena Franco por la revisión lingüística.



Por Colaborador Invitado, publicado el 2 diciembre, 2022
Categoría(s): Física • Ingeniería