El LHC está de vuelta, por Hector García Morales

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Luminosidad acumulada durante todos los años de funcionamiento del LHC (2011-2017).

A principios del próximo mes de abril se volverá a poner en marcha el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Después del típico parón invernal, en el que se han llevado a cabo tareas de mantenimiento, el que es el mayor acelerador de partículas del mundo pronto volverá a ver circular protones por su interior. Este año se espera que la máquina funcione mejor que nunca y produzca más colisiones que cualquier otro año precedente. Estas colisiones deberían proporcionar a los experimentos información crucial sobre el futuro de la física de partículas y sobre la posibilidad de encontrar física más allá del Modelo Estándar.

Esta entrada invitada está escrita por Héctor García-Morales (@CERNtripetas); Héctor trabaja en la sala de control del LHC y colabora en Naukas en Instantáneas desde el CERN. Sobre todo se le conoce por su excelente canal de youtube CERNtripetas (que te recomiendo visitar). La fuente, con información adicional, es Frederick Bordry (Director de aceleradores y tecnología del CERN), “Summary Session of the LHC Performance Workshop 2018”, CERN, 07 Mar 2018 [slides].

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Gráfico de estado del LHC durante el año 2017.

Un legado difícil de superar

No va a ser fácil superar el más que notable rendimiento del LHC el año pasado. En 2017 se acumularon un total de 50 fb−1 (inversos de femtobarns) de luminosidad integrada o, lo que es lo mismo, se produjeron unos 5 mil billones (1015) de colisiones útiles. Esto fue posible principalmente a la gran cantidad de tiempo que la máquina estuvo disponible para producir colisiones.

Al ser una máquina tan compleja, se prevé que gran parte del tiempo se destine a resolver los pequeños problemas que vayan surgiendo durante la operación, limitando así el tiempo de funcionamiento útil en el que se están produciendo colisiones. En 2017, el LHC se encontraba en modo Stable Beams (“haces estables” en colisión) durante el 50% del tiempo que la máquina estuvo funcionando. Ni las previsiones más optimistas presagiaban un funcionamiento tan bueno.

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Evento en el experimento ATLAS en el que se apilan 25 colisiones.

De hecho, el LHC funcionaba tan bien, que los experimentos no eran capaces de registrar una cantidad tan alta de colisiones. Aunque en cada uno de paquetes que conforman los haces del LHC hay del orden de cien mil millones de protones, cada vez que dos de estos paquetes se cruzan en los puntos de colisión, solamente unos pocos protones colisionan entre sí. Al número de colisiones por cruce se lo conoce como pileup (apilamiento) y supone un gran reto para los experimentos. En 2017 se alcanzó la cifra de 60 colisiones por cruce, rozando el límite de la capacidad de los detectores para distinguir las trazas que proceden de cada una de las colisiones.

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Visión esquemática del “levelling” (nivelado) de los haces en los puntos de colisión.

Para facilitar la tarea de recolección y análisis de datos, se comenzó a aplicar una técnica conocida como levelling (nivelado). Esta técnica consiste en reducir de manera intencionada el número de colisiones en los puntos de interacción para evitar que el pileup sea tan alto. Existen varias maneras de llevar a cabo el levelling. La más simple consiste en aplicar una pequeña separación a los dos haces que colisionan para que el solapamiento entre ellos no sea total, reduciendo de esta manera el número de colisiones. Este nivelado se hace de tal manera que, a medida que se van consumiendo los protones de los dos haces, esta separación “artificial” se va retirando progresivamente. De esta forma, se compensa la pérdida de intensidad y la luminosidad (el número de colisiones por segundo) se mantiene constante durante un largo periodo. Y esta es la situación ideal que buscan los experimentos.

Un año no libre de problemas

No obstante, el buen funcionamiento del LHC no significa que el 2017 fue un año libre de problemas. El que más quebraderos de cabeza produjo fue la presencia de una pequeña cantidad de hielo en un punto muy concreto de las tuberías por las que circulan los haces. Con el paso del haz, este hielo sublimaba, interaccionaba con los protones de alta energía, produciendo así chorros de partículas secundarias que superaban los límites de radiación permitidos y provocaban que los sistemas de seguridad automática extrajesen el haz. Este problema provocó que, durante la segunda mitad del año, el LHC tuviese que operar con un número de protones muy por debajo del máximo establecido. Gracias al ingenio de los responsables del funcionamiento del LHC, se supo como compensar esta pérdida para alcanzar e incluso superar la cantidad de información esperada.

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Análisis de la composición del gas extraído en el punto 16L2 del LHC.

La única manera de deshacerse totalmente del hielo de las tuberías es calentando la zona y esperar a que el hielo sublime para luego extraerlo con bombas de vacío. No obstante, el sistema de criogenia del LHC funciona por sectores, así que se necesita calentar una sección relativamente grande del acelerador. Debido a que este proceso requiere varias semanas, no pudo realizarse hasta la parada técnica que comenzó pocas semanas antes de Navidad. En concreto, el sector 2-3 del LHC se calentó desde los 2 kelvin hasta los 90 kelvin. En total se extrajeron casi 10 gramos de aire de los cuales gran parte estaban compuestos por nitrógeno gaseoso. Un estudio del gas extraído reveló que tenía una composición muy similar a la del aire de la atmósfera, cosa que hace indicar que en algún momento durante alguna de las paradas técnicas, se coló un poquito de aire por algún sitio. Solamente cabe esperar a que el haz vuelva a circular por el LHC para ver si el problema se ha resuelto definitivamente.

Más allá de solventar el problema del hielo, durante esta parada técnica se han llevado a cabo muchas otras tareas de mantenimiento y mejora. Entre las muchas actividades, se ha instalado un nuevo imán en la zona de inyección de los protones en el LHC, se ha construido un nuevo ascensor que lleva a cien metros bajo tierra a uno de los experimentos, se ha cambiado el puente grúa cerca de la zona donde se encuentra el campo eléctrico que acelera los protones y se han recolocado e instalado numerosos cables para facilitar la futura mejora del LHC. Todas estas actividades han sido coordinadas para que al final de la parada técnica estén todas correctamente finalizadas.

Un año de producción

Así que, en pocas semanas el LHC volverá a ver a cientos de miles de millones de protones correr por sus venas. Este año debería ser otro año de gran producción. Con muchos sistemas optimizados y la experiencia ganada durante los últimos años, se espera que en esta temporada se recojan unos 60 femtobarns inversos, que sumados a los recolectados durante los dos años anteriores deberían alcanzar la cifra de 130 femtobarns inversos. Con tal cantidad de datos, los experimentos deberían ser capaces de comenzar a discernir los primeros atisbos de física más allá de Modelo Estándar.

No se van a realizar grandes cambios en los parámetros de la máquina respecto a los que se utilizaron el año pasado. Aunque probablemente se intentará reducir un poco más el tamaño de los haces en los puntos de colisión con el fin de aumentar la probabilidad de interacción entre dos protones que circulan en sentidos opuestos.

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Planificación de las operaciones durante el 2018.

Según la programa de funcionamiento del LHC para el 2018, a día de hoy se dedicarán 131 días a producir colisiones entre protones. Repartidas a lo largo del año se realizarán tres paradas técnicas de un par de días de duración para llevar a cabo tareas de mantenimiento que requieran intervenciones relativamente cortas. Por otro lado, se van a dedicar 20 jornadas al desarrollo del propio acelerador en las que se probarán nuevas técnicas de cara a la mejora de la máquina en el futuro. Más allá de las colisiones “estándar” entre protones, se dedicarán una decena de días a lo que se conoce como “física especial” en las que se ejecutan configuraciones ligeramente diferentes del LHC para realizar experimentos muy concretos.

Finalmente, se destinará aproximadamente un mes a producir colisiones entre núcleos de plomo. Estas colisiones suelen ocupar las últimas semanas del año antes de la parada técnica aunque no se llevan a cabo desde el año 2016. Con este tipo de colisiones se consiguen recrear las condiciones en las que se encontraba el Universo poco después del inicio del Big Bang en el que el plasma de quarks y gluones lo llenaba todo. Éste va a ser un año muy concurrido.

Otro año lleno de emociones

En conclusión, está a punto de comenzar una nueva temporada muy emocionante para el LHC y para los que trabajamos en física de partículas. Hay muchas esperanzas depositadas en la posible nueva física que se pueda esconder detrás de la inmensa cantidad de datos que se encuentran por analizar así como de los que están por venir antes de que el LHC se paré durante dos años para volver con las pilas cargadas en 2021.

Hector García-Morales


4 Comentarios

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Francisco M.Francisco M.

¿Por qué el LHC no es capaz de procesar tal cantidad de choques de protones? ¿Es por un problema con el detector -los experimentos en sí que no dan abasto- o es un mero tema de “capacidad de cálculo”? Ya que he leído antes que los servers no pueden trabajar con tantos petas de información producidos por lo que se decidía directamente “tirar a la basura” parte de esos datos. Incluso uno de los puntos fuertes a mejorar en la próxima parada es esto de las computadoras, porque con el aumento en la luminosidad se viene un aumento que de petas de data se pasaría casi a exas.
Otra duda, ¿Qué parámetro es la intensidad, el tamaño del paquete de partículas?

Francisco R. Villatoro

Francisco M., en el LHC Run 2 se producen unos 600 millones de colisiones por segundo y cada una son como 1 MB (megabyte) de datos, luego almacenarlo todo exigiría un ritmo mínimo de 600 TB/s: esto implica problemas en los detectores, en las fibras ópticas, en el almacenaje y en su distribución vía internet para el análisis. Todos los elementos son demasiado lentos para un ritmo tan aterrador. Pero además, no tiene ningún interés físico, pues la mayoría de estas colisiones exploran física ya conocida y no aportan nada nuevo. Así que hay que seleccionar (triggering), en tiempo real, dichas colisiones, separando las interesantes de las aburridas y guardando en disco para análisis posterior solo las interesantes. Solo se aceptan como interesantes entre 100 y 200 colisiones según el detector, por ejemplo, ATLAS 0,8–1 GB/s, CMS 0,6 GB/s y LHCb 0,75 GB/s. Así se necesita almacenar datos a un ritmo de unos 25 GB/s, que luego se reparte entre múltiples centros de análisis vía internet usando una fibra óptica a 100 GB/s.

La intensidad de un haz de partículas es el número de partículas; como los haces de protones del LHC se inyectan en paquetes, se suele medir en protones por paquete. El diseño del LHC se hizo para alcanzar 2808 paquetes con una intensidad máxima de 0,115 billones de protones por paquete acelerados a 14 TeV; como en el LHC Run 2 se trabaja a 13 TeV se puede superar un poco este valor, siendo el récord alcanzado en 2017 de 0,13 billones de protones por paquete.

Juan CarlosJuan Carlos

Una pregunta Francis. ¿Sabes si en esta parada del LHC han formado los imanes?
Osea, lo que pregunto es: ¿este 2018 funcionara el LHC a 7 Tev por particula en vez de a 6,5 como hasta ahora?

HectorHector

Juan Carlos, este año el LHC continuará a 6.5 TeV y durante la parada de 2019-2020 se valorará la posibilidad de subir a 7.0 TeV en 2021. Preparar el LHC para hacerlo colisionar a 7 TeV lleva bastante tiempo como para hacerlo durante la parada de invierno.

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