MÉXICO PRESENTE ALCANZÓ ENERGÍAS RÉCORD EL ACELERADOR LHC PERMANECERÁ






México presente

ALCANZÓ ENERGÍAS RÉCORD EL ACELERADOR LHC

***Permanecerá en funcionamiento los próximos 18 o 24 meses

***La meta, duplicar en el mediano plazo el nivel generado



*Luis Manuel Montaño Zetina



En noviembre de 2009 se obtuvieron resultados de las tan esperadas primeras colisiones de haces de protones circulando en sentidos contrarios en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC- Large Hadron Collider por sus siglas en inglés), primero a energías de 900GeV y luego a 2.36TeV. Posteriormente, en el 2010 se obtuvieron colisiones a 7TeV. Las primeras publicaciones de estos resultados no se hicieron esperar. Esto marca el inicio de una actividad científica sin precedentes en el área de partículas elementales, en la búsqueda de entender mejor el origen y la formación de la materia, tanto conocida como no conocida en el universo.

El LHC [1], en el Centre Européen pour la Recherche Nucléare (CERN por sus siglas en francés), uno de los proyectos científicos más ambiciosos y costosos de nuestra era [2], obtuvo entre finales de 2009 y principios de 2010, los tan esperados primeros resultados dentro de su programa de investigación: las primeras colisiones de haces de protones a energías nunca antes alcanzadas.

Situado entre la frontera de Francia y Suiza (ver figura 1), cerca de la ciudad de Ginebra y a una profundidad promedio de entre 60 a 80 metros, el LHC es el acelerador de partículas más grande del mundo. Consiste en un complejo de magnetos semiconductores, sistemas de enfriamiento, conductos por los que viajan haces de partículas cargadas en sentidos opuestos y a velocidades cercanas a la de la luz, todo dentro de un túnel circular de casi 27 kilómetros de circunferencia.



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Figura 1. El LHC y sus cuatro principales experimentos: ALICE, ATLAS, CMS y LHCb.



En el programa de investigación del LHC, uno de sus objetivos esenciales es explicar fenómenos aún no entendidos por la física de partículas elementales o de altas energías, a través del estudio de la materia. Para ello, es necesario crear choques de haces de partículas subatómicas como protones o electrones, o bien de iones pesados como oro o plomo (ver figura 2) y al registrar los resultados de estos choques e identificar los productos de las colisiones a través de detectores, se reconstruyen estos eventos con los cuales podremos conocer más sobre los constituyentes más básicos de la materia en el universo.

Aunque el LHC comenzó oficialmente sus actividades en septiembre de 2008, en medio de una gran euforia y un poco de temor por el supuesto peligro que representaba, no fue sino hasta noviembre de 2009 que se lograron las tan esperadas colisiones de protones. Esta pausa de más de un año, se debió a la necesidad de reparar la falla que hubo a un mes de haber iniciado [3].



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Figura 2. Estructura microscópica de la materia.



En algunos documentos de divulgación anteriores [3, 4, 5,6], profesores mexicanos, integrantes del equipo que colabora en este gran proyecto, hemos explicado y difundido las tareas y objetivos del LHC, además de dar a conocer nuestra participación en él. En el acelerador LHC existen ocho puntos posibles para que se puedan efectuar las colisiones, cuatro de esos puntos, están constituidos por los grandes detectores llamados ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. México, a través de varios investigadores de diferentes institutos, participa en dos de ellos: ALICE y CMS.

El lunes 23 de noviembre, el LHC logró un primer gran objetivo dentro de su programa de investigación y funcionamiento: tener los dos haces de protones, en circulación simultánea y en distintas direcciones. Con estos haces se obtuvieron las primeras colisiones en diferentes puntos del acelerador (cada punto corresponde a cada gran detector), pero a baja intensidad por cuestiones de seguridad.

La idea principal era que las primeras colisiones sirvieran como prueba del funcionamiento del acelerador. Así se logró tener ensambles (en inglés llamados bunches) de protones, uno por haz de sólo 3x109 protones. Si funciona a mayor capacidad, el LHC puede lanzar varios de estos ensambles en cada haz y así incrementar la cantidad de interacciones.

Resultados y publicaciones

La Colaboración ALICE, donde participamos un grupo de investigadores mexicanos de diferentes institutos, a través de los subsistemas llamados ACORDE y V0A, envió para su publicación los resultados de estas primeras colisiones antes de que acabara el año 2009. Este documento, trata del análisis de 284 eventos detectados durante los choques de protones [7]. Ahí se presentan medidas de la densidad de las partículas cargadas, producidas en esos choques con respecto a la pseudorapidez (parámetro relacionado con el ángulo polar y el eje del haz) a 900GeV de energía de interacción. Estos eventos fueron registrados sin campo magnético.

Para el análisis de estos datos se usó el subsistema de ALICE, llamado SPD, aunque mucha información vino también a través de los subsistemas SDD, SSD y el V0, para verificar la información que se obtenía y quitar eventos falsos. En este documento, también se hace una comparación de estos resultados con los previamente obtenidos en el mismo CERN 25 años antes, a través del acelerador SPS (como una etapa de aceleración para el LHC), aunque estos experimentos trabajaron con colisiones protón-antiprotón.

La comparación se logró, ya que a grandes energías de interacción, como en este caso, la diferencia entre las densidades de partículas cargadas producidas entre las interacciones protón-protón y protón-antiprotón, decrece como el inverso de la energía de colisión. También las colaboraciones CMS y ATLAS enviaron sus resultados para publicarlos [8,9].

Las colisiones en el LHC y los datos que de ellos surgieron, continuaron hasta el 16 de diciembre, fecha en que se decidió hacer una pausa para ajustar el LHC, con el objetivo de alcanzar mayores energías de colisión. De esta forma, a principios de 2010 haces de protones nuevamente circularon por el acelerador LHC. Para este inicio, fue necesario dedicar algunas semanas para verificar el funcionamiento adecuado de los magnetos y demás sistemas de control del acelerador.

El plan era alcanzar una energía de los haces de 1.18 TeV por haz e, inclusive, llegar hasta 3.5 TeV por haz. Tras este inicio de actividades en el 2010, se planea tener al LHC en funcionamiento sin grandes pausas por los próximos 18 o 24 meses. Posterior a este periodo de actividad, habrá un receso para prepararlo a alcanzar aún mayores energías. Se tiene planeado llegar a 14 TeV (7TeV por haz).

Este receso necesario se debe a que el LHC es también un gran instrumento criogénico, esto implica que cada etapa de aceleración viene acompañada de una fase larga de enfriamiento y calentamiento. Para su mayor rendimiento, se pensó en dos posibilidades: que el acelerador funcionase por periodos cortos y con muchas pausas durante varios años, o que funcionase por un periodo relativamente largo (dos años), para posteriormente tener una pausa relativamente larga. Se decidió por esta segunda opción, ya que así los experimentos podrán registrar a mediano plazo datos suficientes para hacer estudios significativos dentro de sus respectivos programas de investigación.

Colisiones a 7TeV

El 28 de febrero se realizó una inyección de protones al acelerador, con la que se logró que estas partículas llegaran a energías de 450GeV por haz, esto sirvió para probar la estabilidad y los múltiples sistemas que necesita el LHC para alcanzar energías mayores. Una vez que todo estuvo bajo control, el 12 de marzo se elevó la energía a 1.18TeV. Finalmente, después de varias pruebas para poder aumentar la energía, se consiguió llegar a 3.5TeV por haz. El 30 de marzo de 2010, a un mes de que el LHC empezó sus actividades de este año, se consiguieron las primeras colisiones de protones a 7TeV (3.5TeV por haz, ver figura 3). Las cuatro colaboraciones del LHC registraron eventos en sus sistemas de detección, lo cual confirmó que se habían logrado colisiones por primera vez a energías de 7TeV. Posteriormente, durante los siguientes días se acumularon millones de eventos que hoy son analizados y cuyos resultados serán publicados en los próximos meses.



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Figura 3. Primeras colisiones a 7TeV (corrida 114783 evento 131)



Cabe mencionar que para los investigadores mexicanos involucrados en el LHC, a través de los detectores ALICE y CMS, el reinicio de las actividades del LHC en el 2009, con las primeras colisiones de protones a energías jamás logradas, es una gran meta cumplida. Muchos de nosotros estamos dentro de esta gran colaboración desde hace más de diez años y, en particular en ALICE (ver figura 4), nuestra participación se dio en la planeación y construcción de dos subsistemas llamados ACORDE y V0A.

Con el conocimiento de que antes de la puesta en marcha del LHC nuestros detectores estaban listos, fueron probados y funcionaron óptimamente; en particular el V0A (integrante del subsistema completo V0), fue clave para las primeras colisiones, como se puede ver en el primer artículo de ALICE, hecho que nos llena de orgullo y satisfacción.



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Figura 4. Algunos de los participantes en el experimento ALICE.



Referencias

  1. http://lhc.web.cern.ch/lhc/

  2. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 101

  3. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 107

  4. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 117

  5. Véase, por ejemplo, L. M. Montaño, Avance y Perspectiva, 20, 75 (2001)

  6. L. M. Montaño y G. Herrera, Avance y Perspectiva, 17, 357 (1998)

  7. ALICE Collaboration 2010 Eur. Phys. J. C65 111. arXiv:0911.5430

  8. ATLAS Collaboration aceptado en Phys. Letts. B arXiv:1003.3124

  9. CMS Collaboration 2010 JHEP 2 041 arXiv:1002.0621v2



*El autor es investigador titular del

Departamento de Física del Cinvestav.

[email protected] (Tel: 57473839)







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