Las últimas colisiones entre protones en el LHC, por Hector García Morales (CERNtrípetas)

El pasado martes, a las 6 de la mañana, se producían las últimas colisiones del año entre protones del LHC. De esta manera se pone fin a una etapa que ha sido todo un éxito para el que es el mayor acelerador de partículas del mundo. Tendremos que esperar hasta 2021 para volver a ver colisiones de protones después de una larga parada para realizar tareas de mantenimiento y mejora de la máquina.

En total, este año se han acumulado alrededor de 65 fb−1 (femtobarns inversos) de luminosidad integrada en cada uno de los grandes experimentos, ATLAS y CMS, 5 fb−1 más de los pronosticados. Esta cifra equivale a unas 13 trillones de colisiones protón contra protón. En LHCb la luminosidad ha alcanzado la cifra de 2.5 fb−1, un 25% más de lo esperado, y en ALICE un total de 27 pb−1 (picobarns inversos). Toda esta información debería ser suficiente como para que se produzca algún descubrimiento interesante una vez los experimentos tengan tiempo de analizarla en detalle.

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).

El éxito ha sido posible sido gracias a los pocos problemas que ha dado la máquina y al hecho de que el número de colisiones que se producían de manera regular cada segundo excedía en un 80% el valor nominal de diseño del LHC. A todo esto hay que sumarle la gran eficacia de los diferentes equipos involucrados en la resolución de los pequeños contratiempos que han ido apareciendo. Todo esto ha llevado al LHC a recoger unos 160 fb−1 en ATLAS y CMS desde que comenzó el Run II en 2015 con haces de protones colisionando a 13 TeV.

Una de las última colisiones que se registraron en el experimento ATLAS (24 Oct 2018).

Pero el año no se ha acabado y todavía quedan muchas cosas por hacer. En particular, durante el mes de noviembre, haces de iones de plomo llenarán las tuberías del LHC. Las colisiones entre estos iones pesados permitirán obtener información muy valiosa sobre el plasma de quarks y gluones que gobernó las primeras etapas del Universo. Entonces sí, el 10 de diciembre, una vez los iones abandonen el acelerador, la máquina entrará en parada técnica durante más de dos años para llevar a cabo una renovación considerable.

La física con protones ha ocupado gran parte del tiempo de funcionamiento del LHC. No obstante, también ha habido tiempo para hacer experimentos con el propio acelerador y probar nuevos conceptos que se implementarán en un futuro y mejorarán más si cabe el rendimiento de la máquina. En total se han dedicado 23 días a estas sesiones que reciben el nombre de “Machine Development”, desarrollo de la máquina. Durante estas sesiones se realizan experimentos que van desde probar nuevas técnicas para aumentar la luminosidad hasta nuevos procedimientos para inyectar haces de protones de una manera más eficiente y sin pérdidas.

Parámetro ρ (rho) relacionado con la sección eficaz de las colisiones protón-protón. El círculo marca la región que se ha explorado este año durante el Special Physics Run.

Más allá de la física estándar con protones, también se ha dedicado aproximadamente una semana a realizar colisiones con una configuración del LHC que difiere bastante de la habitual. Es lo que se conoce como el “Special Physics Run”. Durante este periodo, contrariamente a lo que ocurre normalmente, los haces de protones en los puntos de colisión se hacen más grandes. De esta manera se reduce considerablemente la luminosidad, pasando de producir decenas de millones de colisiones por segundo a no más de quince. La idea detrás de esta configuración es producir colisiones de protones en las que se produzca una interacción elástica entre ellos con una transferencia de momento muy pequeña. De esta manera, la trayectoria de los protones se desvía ligeramente para acabar impactando con unos detectores de partículas especiales que se encuentran unos 200 metros más allá del punto de colisión. Existen varios experimentos de este tipo entre los que contamos con: ALFA que se encuentra en la zona del detector ATLAS y TOTEM que está instalado cerca de CMS. La idea detrás de estos experimentos es medir con precisión y por primera vez la sección eficaz de colisión entre protones a 900 GeV.

Una vez el LHC se pare, comenzarán las tareas de mantenimiento y mejora. La primera de las actividades programadas es el entrenamiento de los imanes superconductores para evaluar si, finalmente, en 2021, el LHC podrá funcionar a la energía para la que fue diseñado, 14 TeV. Este entrenamiento consiste en aumentar de manera progresiva la corriente que fluye por los imanes. Durante este aumento se van produciendo quenches, que es un fenómeno en el que se pierde el estado de superconductividad del imán. Se sabe que durante el entrenamiento se deben producir varios quenches en cada uno de los imanes antes de que esté listo para funcionar a pleno rendimiento. De alguna manera, cada vez que se pierde la superconductividad, el imán guarda memoria del mismo. La siguiente vez que se aumenta la corriente, es capaz de llegar más lejos hasta alcanzar un campo magnético de 8.3 tesla al final de dicho entrenamiento de cada uno de los imanes.

Más allá del aumento de energía, en el LHC se reemplazarán algunos componentes que han quedado dañados u obsoletos por otros nuevos. También se instalará nueva instrumentación que permitirá tener un control más preciso del acelerador. Además, durante estos dos años, la cadena de inyección que lleva los protones hasta el LHC, también se mejorará con el fin de estar preparada para la futura mejora del acelerador, el HL-LHC, que comenzará a funcionar en 2026.

Ahora toca permanecer expectantes a que los experimentos se pongan manos a la obra y analicen la enorme cantidad de datos que se han podido recoger. Si existe algún indicio de física más allá del Modelo Estándar al alcance del LHC, debería manifestarse en muy poco tiempo.

8 comentarios

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Luis Sáez Luis Sáez

Siento no poder comprender el lenguaje sobre el LHC , Soy un “aficionado” a la física . Tal vez podria intentar un lenguaje más pedagógico. Muchas gracias.

Hector Garcia (CERNtripetas) Hector Garcia (CERNtripetas)

Hola Luis, tanto Francis como yo estaremos encantados de responder cualquier duda o pregunta que tenga. Un saludo

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Álvaro, el LHC se diseñó para trabajar como mucho a 14 TeV c.m. El fallo de septiembre de 2009, tras su reparación forzosa, impidió usar colisiones seguras a más de 10 TeV, por ello se empezó a 7 TeV y luego a 8 TeV. Tras las reparaciones de la parada larga LS1 se pudo llegar a 13 TeV de forma segura, pero se necesitan más reparaciones para llegar a 14 TeV. Dichas reparaciones se realizarán en el LS2. Tras el LS2 puede que se alcancen los 14 TeV de diseño (todos esperamos que así sea), pero aún no se puede saber con seguridad que se logrará. Asumiendo que se logre, el futuro del LHC más probable es el HL-LHC, seguir con 14 TeV pero incrementar la luminosidad (número de colisiones); otras opciones, como el HE-LHC, subir la energía hasta 27 TeV, se descartan a día de hoy (pero podrían reconsiderarse a finales de los 2020), siendo el único problema el enorme coste de sustituir los imanes que aceleran los protones para alcanzar mayor energía.

francisco reglero francisco reglero

¿Un gran exito???
Eso me parece el tipico comentario correctamente politico pero no se muestra ningun resultado de ese exito. En ciencia se esta para no ser politicamente correcto, hemos de ser críticos digo cieníificos ¿o es lo mismo?
En mas de diez años nada de la nueva física que se prometio encontrar. Claro ahora ya se piensa en un acelerador 10 veces mas potente, a este paso es mejor esperar al siguiente big-bang y ya si eso lo vemos todo.

JJ JJ

Me imagino que preguntas si hay algo mas aparte del boson de Higgs. Una busqueda rapida en google te da varios resultados, copio dos de ellos y puntualizo. Nadie prometio encontrar nada porque no se puede prometer. Prometer es para los politicos, no para los cientificos. De hecho muchos fisicos, en petit comite, preferian no encontrar el Higgs porque asi seria mas interesante desde el punto de vista cientifico.

https://www.forbes.com/sites/startsw...b2af2db552c

https://www.quora.com/What-are-the-m...-by-the-LHC

Ademas se ha avanzado increiblemente en todas las tecnologias asociadas, vacio, superconductores, control, computacion distribuida, comunicaciones, potencia pulsada (pulsed power), inteligencia artificial, etc. Y se producen avances en campos en los uqe un acelerador tiene aplicaciones, como medicina (terapia de hadrones e ISOLDE) por citar algunas. Obviamente la enumeracion no es exhaustiva ni pretende serlo.

Paco Paco

Yo temo que si no encuentran nada jugoso (física más allá del SM) las ganas de los políticos europeos para financiar el LHC descienda muchos enteros.

Francisco R. Villatoro Francisco R. Villatoro

Paco, los políticos no entienden de ciencia solo entienden de retorno económico del gasto. Las estimaciones actuales indican que el gasto en el CERN y sus experimentos (como el LHC) tiene un retorno a la industria europea entre 3-4 euros por cada euro gastado. Además, recuerda que el 50% del presupuesto del CERN retorna en inversiones y contratos directos con empresas europeas, que se transforman en líderes mundiales en las innovaciones requeridas. La física de altas energías es uno de los pocos gastos que más “redondos” les sale a los políticos.

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