El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) entra oficialmente en una nueva fase. Hoy se ha
celebrado una ceremonia en el laboratorio europeo de física de partículas (CERN) que
marca el inicio del trabajo de ingeniería civil para el LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC,
por sus siglas en inglés): un nuevo hito en la historia del CERN. Al incrementar el número
de colisiones en los grandes experimentos, esta gran actualización mejorará el
rendimiento del LHC a partir de 2026, aumentando la probabilidad de descubrir nuevos
fenómenos de la Física.
El LHC comenzó sus colisiones entre partículas en 2010. Dentro de los 27 kilómetros del
anillo del LHC, paquetes de protones viajan casi a la velocidad de la luz y chocan en
cuatro puntos. Estas colisiones generan nuevas partículas que se miden en los
detectores situados en los puntos de interacción. Analizando estas colisiones, físicos de
todo el mundo profundizan en el conocimiento de las leyes de la naturaleza.
Mientras que el LHC es capaz de producir hasta 1.000 millones de colisiones entre
protones cada segundo, el HL-LHC incrementará este número, conocido como
‘luminosidad’, en un factor 5 ó 7, permitiendo acumular 10 veces más datos de 2026 a
2036. Esto supone poder investigar fenómenos físicos muy infrecuentes y obtener
medidas mucho más precisas de los conocidos. Por ejemplo, el LHC permitió descubrir
el bosón de Higgs en 2012 y probar cómo adquieren sus masas las partículas. Esta mejora
del HL-LHC permitirá definir con mayor precisión las propiedades del bosón de Higgs.Además, se investigarán teorías más allá del Modelo Estándar, la teoría que describe las
partículas elementales y sus interacciones, incluyendo la supersimetría, la existencia de
dimensiones extra o si los quarks, los ladrillos que componen la materia visible, están
compuestos por algo más elemental aún…
“El LHC de Alta Luminosidad extenderá el alcance del LHC más allá de su objetivo inicial,
aportando nuevas oportunidades para lograr nuevos descubrimientos, medir las
propiedades de partículas como el bosón de Higgs con mayor precisión y explorar los
constituyentes fundamentales de la naturaleza de forma aún más profunda”, declara
Fabiola Gianotti, directora general del CERN.
El proyecto del LHC de Alta Luminosidad es un esfuerzo internacional que implica a 29
instituciones de 13 países, incluida España con el Centro de Investigaciones Energéticas,
Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). Comenzó en 2011 y fue incluido dos años
después entre las prioridades de la Estrategia Europea de Física de Partículas, la hoja de
ruta de la disciplina. Tras el éxito de la fase de pruebas, se construirán e instalarán
muchos elementos nuevos en el LHC en los próximos años. Algo más de un kilómetro
del actual acelerador se reemplazará completamente con nuevos componentes como
imanes, colimadores y cavidades de radiofrecuencia.
Participación del IFIC en el LHC de Alta Luminosidad
El Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de
Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València, juega un papel muy
importante en dos elementos fundamentales de la futura actualización de ATLAS, el más
grande de los detectores de propósito general del LHC con sus 46 metros de largo y 25
de alto. El primer elemento es la electrónica que extraerá los datos de los calorímetros,
instrumentos que miden la energía de las partículas producidas en las colisiones. Con el
incremento de las mismas en el HL-LHC, esta electrónica tiene que ser lo
suficientemente rápida como para permitir que el sistema decida si los datos de una
determinada colisión deben guardarse o se pueden descartar.
El IFIC ha diseñado el sistema de lectura del calorímetro hadrónico de ATLAS, compuesto
por nuevos módulos electrónicos que incrementan la velocidad de transmisión y
procesamiento de datos: cada uno procesará 160 gigabits por segundo, casi la totalidad
del sistema actual. En total, la nueva electrónica del calorímetro hadrónico procesará
unos 40 terabits por segundo.
Por otra parte, el IFIC también participa en el diseño y construcción de una parte de los
sensores de silicio que forman el detector de trazas de ATLAS, la parte más cercana a las
colisiones que registra las trayectorias de las partículas con una resolución espacial de
millonésimas de metro. Estos sensores han de soportar niveles de radiación 10 veces
superiores a los actuales debido al incremento de las colisiones del HL-LHC.
El IFIC ha liderado el diseño y la prueba de uno de los dos tipos de sensores de silicio que
lo componen, de tipo strip, así como los soportes de fibra de carbono donde se
instalarán estos sensores, los servicios necesarios para su correcta operación (refrigeración, fibras ópticas para transmitir datos y señales de control, cables para
proporcionar los voltajes adecuados) y la estructura mecánica, de tres metros de largo
y dos metros de diámetro, que permitirá mantener la resolución espacial general y
soportará los sensores.
En total una treintena de personal del IFIC está implicada en las labores de actualización
de ATLAS, que culminarán con la instalación de los nuevos sistemas a partir de 2024 para
el inicio del LHC de Alta Luminosidad en 2026. Además, se han formado dos nuevos
doctores asociados a este trabajo, y 6 trabajos fin de máster.
Por otro lado, el IFIC también contribuye al nuevo sistema de reconstrucción de trazas
del experimento LHCb (llamado SciFi), en particular al diseño y producción de la
electrónica de lectura de datos, así como al desarrollo de algoritmos de reconstrucción
y selección de eventos (trigger) especialmente orientados a partículas de larga vida
media. Esta actualización de LHCb se llevará a cabo aprovechando la próxima parada
técnica del LHC (2019-2020). Además, el IFIC participa en el desarrollo del programa de
investigación en física de blanco fijo del experimento LHCb, en particular de un sistema
basado en cristales curvados optimizado para medidas de momentos magnéticos y
eléctricos de bariones pesados (un tipo de partícula compuesta).
