CEPC, el colisionador circular chino de 100 km de longitud que estudiará el bosón de Higgs

La partícula de Higgs tiene una masa de 125 GeV/c². Para estudiar su física en detalle se requiere una fábrica de bosones Higgs, un colisionador de leptones con una energía de colisión en el centro de masas de unos 250 GeV. China iniciará en 2022 la construcción del Colisionador Electrón-Positrón Circular (CEPC) de 100 km de longitud que operará entre 2030 y 2040. El CEPC será una fábrica de Higgs con colisiones a 240 GeV durante 7 años (e+e → ZH), una fábrica de bosones Z con colisiones a 91 GeV durante 2 años (e+e → Z0) y una fábrica de bosones W con colisiones a 160 GeV durante un año (e+e → W+W). Con su luminosidad pico de 3 × 1034 cm−2 s−1 se espera observar más de un millón de bosones de Higgs, más de un billón de bosones Z y unos 15 millones de bosones W Así se lograrán medidas de muy alta precisión de las propiedades de estos bosones.

Se acaba de publicar el Informe de Diseño Conceptual (CDR, o Blue Report) de CEPC. La mayor pega de su diseño a 240 GeV es que no podrá estudiar el acoplamiento del Higgs al quark top (ee → Htt), ni tampoco el autoacoplamiento del campo de Higgs (ee → HHH), dos procesos clave de la física del Higgs. Sin embargo, superará con creces al LHC y al HL-LHC en el estudio de los acoplamientos del Higgs con otras partículas (HZZ, HWW, Hbb, Hcc, Hgg y H𝜏𝜏, y en menor medida H𝛾𝛾 y H𝜇𝜇). El diseño del CEPC está optimizado para que a partir de 2040 se use su túnel de 100 km para albergar el SuperColisionador Protón-Protón (SPPC) con colisiones a 75 TeV c.m. y una luminosidad de 1035 cm-2 s-1. Se pretende que ambos colisionadores (CEPC y SPPC) convivan en el mismo túnel (a diferencia de LEP y LHC). Gracias a ello, a partir de 2050, se podrá hacer física con colisiones electrón-protón y electrón-ión, que serán simultáneas a las colisiones protón-protón e ión-ión.

El CEPC se construirá a 23 km al oeste de Qinhuangdao, una ciudad en el noreste de la provincia de Hebi, que está a 240 km al este de Pekín. Los interesados en consultar los detalles del diseño disfrutarán de The CEPC Study Group, “CEPC Conceptual Design Report,” arXiv:1809.00285 [physics.acc-ph]. Aún no se ha publicado el diseño de sus dos detectores, que se espera en sendos futuros informes. Más información divulgativa en Jie Gao, “China’s bid for a circular electron–positron collider,” CERN Courier, 01 Jun 2018.

El CEPC fue concebido en septiembre de 2012, tras el descubrimiento del Higgs el 4 de julio. La idea de los científicos chinos responsables del proyecto fue construir un colisionador circular de leptones capaz de alcanzar una energía de colisiones de 240 GeV con un túnel de entre 50 y 70 km de longitud. Pero pronto se decidió incrementar la longitud del túnel a 100 km para poder albergar un futuro colisionador circular de hadrones (SPPC). Para este último el diseño actual propone usar dipolos magnéticos de 12 T, lo que permitirá colisiones de hasta 75 TeV; sin embargo, futuros avances en la década de los 2030 podrían permitir un diseño con dipolos de 16 T, para alcanzar colisiones de 100 TeV. Todo apunta a que centro mundial de la física de partículas pasará de Europa (CERN) a Asia en las próximas décadas gracias al CEPC-SPPC en China y al ILC250 en Japón (este último es un colisionador lineal electrón-positrón que alcanzará una energía de 250 GeV).

Recuerda que LEP ocupó el túnel del LHC en el CERN y llegó a alcanzar una energía en el centro de masas 209 GeV (LEP2). Por desgracia era insuficiente para descubrir y/o estudiar el bosón de Higgs, dado que su masa es de 125 GeV/c². El CEPC es cuatro veces más grande en tamaño que LEP y se pretende construir desde cero, por ello se estima que su coste estará entre cinco y diez mil millones de euros (o entre seis y doce mil millones de francos suizos). La estimación de coste de ILC250 es de unos ocho mil millones de euros.

El CEPC dispondrá de dos detectores situados en puntos opuestos del anillo circular. El gran problema de un acelerador circular de leptones es la radiación sincrotrón, que en el CEPC alcanzará 30 MW por haz. El diseño pretende minimizar el consumo energético del colisionador a solo 300 MW. Para el enfriado de los imanes superconductores se usará helio II (una de las fases líquidas del helio-4). Las colisiones electrón-positrón en el CEPC serán muy limpias, comparadas con las del LHC, con lo que se obtendrán bellas imágenes con Higgs en los canales de desintegración a su alcance. Sin lugar a dudas, estas fascinarán a todos los buenos aficionados a la física de partículas en la década de los 2030.

16 comentarios

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Fran Fran

Teniendo en cuenta que los fondos para investigación son limitados, es esta la mejor inversion ?
Pienso que entender la parte del universo de menor escala (y también la cosmología) tiene menos impacto en nuestas vidas y escala humana que si se dedicaran esos fondos a avanzar en química, computación, biología, etc … no crees ?

Autodidacta Autodidacta

WTF… Amigo, las 3 cosas que mencionaste al final pueden avanzar con un mejor entendimiento de las partículas elementales.

Enrique Moreno Enrique Moreno

Siempre que se acomete un proyecto de esta envergadura se generan grandes avances en los campos técnicos asociados (superconductividad, criogenia, supercomputación, telecomunicaciones, ingeniería civil, etc, etc). Y sin duda, si no se acometieran, nunca sabríamos si estos conocimientos sobre la realidad del mundo físico que nos rodea, puede hacer que vivamos mejor. O al menos hacernos más sabios.

kurodo77 kurodo77

Para la muestra un botón: este invento tan bonito gracias al cual tu le muestras “tu opinión” a todo el mundo(el internet) salió del CERN que se sigue dedicando al estudio del “universo a menor escala”.

Mike Black Mike Black

Defiendo completamente todo lo relacionado con el CERN, de echo, he estado allí etc y muchos de los comentarios son ciertos. Pero que “Internet” salió del CERN es un poco apresurado, o yo necesito por ejemplo, una explicación mayor. Grácias.

(Conozco la Historia de Internet desde Turing, Arpanet, Satelites etc, pero no veo una relación directa o conlcuente del CERN en cuestión en ese campo)

macuto_dav macuto_dav

que bien, ojala se garanticen los recursos para la construcción de ese colisionador de partículas y que se haga sin retrasos y con la mejor tecnología disponible para asegurar un optimo funcionamiento.

Juan Carlos Juan Carlos

Una duda.
Para maximizar la sección eficaz de producción en el caso ZH se va a trabajar a una energía de 240 Gev (aunque creo que lo ideal serian 125+91=216 Gev , corrígeme porfavor si me equivoco).
Mi duda es: ¿no es posible la aniquilación del electron positrón dando solo un Higgs (e+e- >H)?
¿Violaria esto algún numero cuantico de conservación?.
Lo pregunto porque si fuese esto posible entonces la energía ideal de colision para producción de Higgs serian 125 Gev.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Juan Carlos, la masa del electrón es muy pequeña, luego el acoplamiento del Higgs al electrón es muy pequeño, y la desintegración ee → H está fuertemente suprimida (es decir, es extremadamente improbable), luego imposible de observar. Por ello se recurre a otros acoplamientos del electrón, por ejemplo, la desintegración ee → HZ en realidad es ee → Z* → HZ, donde se aprovecha que la masa del Z es grande y su acoplamiento al Higgs también es grande (recuerda que Z* significa un bosón Z virtual cuya “masa” es mucho mayor que la de un bosón Z).

Juan Carlos Juan Carlos

Lo que no entiendo es como pasando tantos años desde el LEP y con las mejoras de la tecnología y además midiendo 100 km, no construyen un acelerador de mas energía, que podría revelar nuevas cosas.
Con 100 Km, si duplicamos la energía a la que va a funcionar (o sea a unos 500 Gev) la radiación sincroton seria aproximadamente el doble que la del LEP, creo que asumible. No entiendo porque con tantos años y casi un acelerador como el LEP de los años 80 (aunque eso si, con una gran luminosidad, que es importantísimo). Mi opinión es que si la radiación sincroton se vuelve problemática, es que se construya uno lineal, que será mucho mas corto para la misma energía y mucho mas barato. En fin, los chinos sabran.

JJ JJ

La cosa es que la radiacion sincrotron va con la cuarta potencia de la energia, si la energia se duplica las perdidas se multiplican por 16!

Lo malo de la radiacion sincrotron entre otras cosas es que te da problemas por activacion de materiales y pierdes mucha energia por vuelta, que hay que darle otra vez a las particulas porque si no no llegas a la energia de diseño. Llega un momento que no es eficiente perder tanto. Puedes mirar el documento que enlaza francis o buscar infromacion sobre FCC-ee.

Y respecto a colisionadores lineales, son muy dificiles de operar. En uno circular cada vuelta puedes ir corrigiendo y midiendo cosas, aqui solo tienes una oportunidad. Si miras las dimensiones de CLIC o ILC te salen colisionadores muy grandes. Aunque los problemas de CLIC (de ILC no lo se) vienen por la precision necesaria de lso componentes. Ven hasta las oscilaciones del suelo y deben tenerlo en cuenta. Como ejemplo, el Stanford Linear Collider (SLC) fue un colisionador e-e+ que opero en los 90 o un poco antes y tuvieron muchos problemas para hacerlo funcionar. Tuvo exitos pero nunca llego a alcanzar los valores de diseño, segun uno que conozco que trabajo alli la mayoria de los errores fueron porque los colisionadores lineales “son un dolor de cabeza”.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

La esperanza nunca se pierde y la nueva física puede encontrarse en pequeñas desviaciones en la física electrodébil (la que estudiará CEPC). Las sorpresas pueden aparecer en cualquier momento (por eso son sorpresas).

Juan Carlos Juan Carlos

Correcto JJ, al duplicar la energía la radiación sincroton se multiplica por 16.
Pero para la misma curvatura de la trayectoria.
La radiación sincroton decrece con el cuadrado de la curvatura. Con 100 km (unas 4 veces el LEP) a la misma energía la radiación sincroton se reduce por 16.
Por eso comente que aproximadamente a 500 Gev con estos 100 km seria el doble radiación sincroton (si no me equivoco, exactamente 2,44 veces). Claro esta suponiendo la misma luminosidad.
Por otra parte no conocía lo que mencionas de lo problemáticos que son los aceleradores lineales. Gracias por esa aclaración.

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