Los problemas con el LHC Run 2 reducen las expectativas para este año

Dibujo20150823 mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

El objetivo del LHC Run 2 entre 2015 y 2018 es acumular unos 100 /fb de colisiones protón contra protón a 13 TeV c.m. en ATLAS y en CMS. Para ello se planificaron 10 /fb en 2015 y 30 /fb anuales entre 2016 y 2018. Sin embargo, los múltiples problemas este año (nubes de electrones, UFOs, etc.) reducen la expectativa a ~3 /fb en ATLAS y CMS (una reducción de un tercio). Ahora mismo ATLAS alcanza 0,224 /fb y CMS 0,192 /fb.

Para compensar los problemas de 2015, se ha planificado acumular 36 /fb en 2017 y 2018. Un plan optimista, pero asequible; el LHC Run 1 sorprendió a muchos y (crucemos los dedos) el LHC Run 2 también les sorprenderá. Nos lo contó Mike Lamont (LHC team), “LHC Performance in Run 2 and Beyond,” Lepton Photon 2015 (XXVII International Symposium on Lepton Photon Interactions at High Energies), Ljubljana, 17-22 Ago 2015 [contribution]. También se hace eco de esta noticia “High-energy LHC plans held up by UFOs and electron clouds,” New Scientist, 19 Aug 2015.

Ya lo conté vía Twitter el pasado 17 de agosto, porque las charlas plenarias fueron retransmitidas en directo vía CERN Webcast. Puedes disfrutar de la página web indico con todas las charlas (incluyendo las transparencias (slides), pero aún no de las charlas en vídeo).

Dibujo20150823 goal 2800 bunches 25 ns 2015 - mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

El objetivo para 2015 es entrenar al equipo de control del LHC para inyectar unos 2800 paquetes de protones separados unos 25 ns (nanosegundos) con unos 0,12 billones de protones por paquete. En los puntos de colisión IP1 e IP5, donde se encuentran ATLAS y CMS, resp., se esperaba alcanzar una apertura de los haces de protones de β* ∼ 40 cm; recuerda que las colisiones se iniciaron el 3 de junio con paquetes separados 50 ns y β* = 80 cm (“Hoy se inician oficialmente las colisiones en el LHC Run 2,” LCMF, 03 Jun 2015; “Imágenes de las primeras colisiones a 13 TeV en el LHC,” LCMF, 21 May 2015).

Dibujo20150823 electron cloud - mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

Este año “la limpieza interior de los tubos de protones del LHC” (LCMF, 30 Jun 2015) no ha sido tan exitosa como se esperaba. Por ello se observan más nubes de electrones (electron clouds), que interaccionan electromagnéticamente con los haces de protones, de las esperadas. Estas nubes de electrones tienen su origen en un proceso de tipo avalancha; los campos magnéticos que aceleran los protones también aceleran los electrones que colisionan contra las paredes de los tubos y provocan la desabsorción (desorption) de moléculas y pérdidas de calor que afectan al sistema criogénico. Estos electrones tienen su origen en el poquísimo gas ionizado que puede quedar en el interior de los tubos (que están en ultravacío) o en la fotoemisión de electrones. El proceso de limpieza a 25 ns no ha sido un todo un éxito, en parte, porque parece ser mucho más difícil de lo esperado.

Dibujo20150823 scrubbing 25 ns - mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

Las nubes de electrones con paquetes de protones separados con 25 ns son mucho más importantes que con 50 ns. Un ultravacío malo dentro de los tubos provoca múltiples problemas en los haces de protones, inestabilidades que obligan a cortar las colisiones de forma no planificada. Las técnicas de limpieza de los tubos (scrubbing) para colisiones a 25 ns es mucho más ineficaces y se ha decidido que habrá que realizar más limpiezas a partir de 2015 que las que se hacía en 2012. Con la última limpieza parece imposible superar la inyección de más de 1500 paquetes de protones (bunches); más aún, como medida de protección, no se espera superar los 1200 paquetes (muy lejos de los 2800 planificados a principios de año).

Dibujo20150823 ufos - dust particles - mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

Otro problema son los UFOs (Unidentified Falling Objects); un sugerente nombre, que recuerda a UFOs (Unidentified Flying Objects), término inglés para OVNIs (Objetos Voladores No Identificados), que reciben las partículas micrométricas de polvo que se encuentran en el interior de los tubos del LHC. Durante la limpieza de los tubos (scrubbing) se inyectan grandes cantidades de protones con alta energía con objeto de destruir todos los UFOs. Sin embargo, una limpieza que no sea todo un éxito deja cierto número de partículas adheridas a los tubos que interaccionan con los haces de protones provocando colisiones inelásticas que dan lugar al corte de los haces (beam dump) y a pérdidas de la superconductividad en algunos imanes (magnet quench).

Dibujo20150823 number arc ufos per hour - dust particles - mike lamont - lhc run 2 - lepton photon 2015

Ahora mismo el número de UFOs con paquetes a 25 ns es demasiado alto. Esta figura muestra que durante 2012 el número de UFOs era menor de 2 UFOs/hora con paquetes separados a 50 ns y que en las pruebas a final de año con una separación de 25 ns se alcanzaron poco más de 10 UFOs/h. Sin embargo, en las inyecciones de haces de protones de esta semana se ha llegado a superar los 30 UFOs por hora (~33 UFOs/h en el Fill #4243 (21/08/2015, 04:20) con 315 paquetes separados a 25 ns que totalizó 159 UFOs en 4,8 h).

Dibujo20150824 number arc ufos per hour - 2015 lhc 25 ns fills - lhc cern

Sin lugar a dudas es un problema de limpieza. Se hizo una prueba usando 296 paquetes separados a 50 ns, el Fill #4246 (21/08/2015 20:01), que alcanzó ~22 UFOs/h (201 UFOs en 9,3 h). Estos números son muy superiores a los del año 2012 e indican que el proceso de limpieza no ha sido un éxito (en el año 2012 antes del proceso de limpieza se observan ~43 UFOs/h).

En resumen, el año 2015 en el LHC Run 2 está siendo menos impresionante de lo esperado, por problemas asociados a la limpieza de los tubos (nubes de electrones y UFOs). Hoy domingo se han inyectado 458 paquetes en 48 trenes separados a 25 ns, Fill #4254 (23/08/2015, 02:30). Se seguirá incrementado el número de paquetes, pero habrá que insertar más procesos de limpieza de los que estaban inicialmente planificados.



1 Comentario

  1. Siempre fue una duda para mi, como hacen para tener impecable de cualquier particula a una cañeria tan larga. Veo que como imaginaba, es todo un reto mantenerla limpia.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 23 agosto, 2015
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