Los físicos preparan un LHC diez veces más 'luminoso'

La Universitat de Valencia y el CSIC han acogido esta semana un encuentro internacional de investigadores orientado a definir los nuevos detectores que operarán en el LHC, el gran acelerador de partículas del CERN (Ginebra, Suiza).

Se trata de la ITK-Week, un congreso en el que participan 250 expertos internacionales para definir las características que tendrá uno de los sistemas cruciales en el experimento ATLAS: el detector de trazas o tracker. El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), organizador del encuentro, tiene una importante participación en este proyecto.

El mayor y más potente acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones del CERN, prepara ya su futuro. En menos de una década, el LHC funcionará con la misma energía, pero multiplicando por 10 el número de colisiones entre partículas. Esto supondrá un enorme reto para los detectores que registran estas colisiones, y los científicos ya trabajan en ello.

El proyecto del LHC de Alta Luminosidad (HL-LHC, por sus siglas en inglés) pretende mejorar la capacidad operativa del LHC con el fin de ampliar su capacidad de descubrimiento a partir de 2025. El objetivo es aumentar la luminosidad del acelerador (el número de colisiones por segundo) en alrededor de un factor diez por encima del valor original de diseño. Se trata, explica la web de la UV, de una “actualización”, una mejora sobre tecnología ya consolidada, aunque requerirá una gran intervención que afectará a más de 1.200 metros del acelerador.

Una vez implementada la mejora, permitirá llevar a cabo estudios precisos de las nuevas partículas que el LHC ha descubierto, como el bosón de Higgs, y abrirá la puerta a la observación de procesos muy raros que no son accesibles desde la sensibilidad actual del LHC.

Por ejemplo, con el LHC de alta luminosidad se producirán hasta 15 millones de bosones de Higgs por año, en comparación con los 1,2 millones producidos en 2011 y 2012, año en el que se anunció su descubrimiento.

Nuevas partículas

Al aumentar la luminosidad aumenta la sensibilidad a eventos raros, pero ¿por qué aumenta también la capacidad de descubrir nuevas partículas? El IFIC lo explica en su web: En el LHC, como su nombre indica, se aceleran protones, que son partículas compuestas, formadas por un enjambre de quarks y gluones que se mueven a altas velocidades. Cuando los haces de protones se cruzan, las partículas que colisionan no son los protones, sino los quarks y los gluones que hay en su interior, y cada uno de ellos transporta sólo una fracción de la energía del protón.

"Como la energía invertida en la colisión es la “materia prima” a partir de la cual se crean nuevas partículas, sería deseable que ésta fuera lo más alta posible. Por desgracia es poco habitual que un solo quark o gluón acumule toda la energía del protón, así que la mayoría de las colisiones tienen una energía sensiblemente inferior. Unas pocas, sin embargo, sí son inusualmente energéticas. Así pues, una manera de tener más colisiones de alta energía es sencillamente aumentar el número de colisiones, es decir, la luminosidad del acelerador".

El desarrollo del HL-LHC depende de una serie de innovaciones tecnológicas. La primera fase del proyecto se inició en 2011 con el estudio de diseño HiLumi LHC. Esta fase reunió a muchos laboratorios de los estados miembros y asociados del CERN, y el IFIC también participó. El estudio de diseño llegó a su fin en octubre de 2015, con la publicación del informe técnico de diseño, marcando el inicio de la fase de construcción del proyecto, tanto en el CERN como en la industria.

Los detectores de partículas que registran lo que sucede durante las colisiones van a tener también su actualización. Estos dispositivos han de operar en condiciones muy duras, con niveles extremadamente altos de radiación que requieren diseños muy específicos para sus sensores y su electrónica.

Los detectores se han diseñado para funcionar diez años bajo las condiciones del LHC. En el momento en que el acelerador se actualice los detectores también tendrán que ser reemplazados, ya sea porque el daño inducido por la radiación es ya crítico o porque se necesita un mejor rendimiento para hacer frente las condiciones de trabajo del HL-LHC.

Cuando el HL-LHC entre en funcionamiento los detectores se encontrarán diez veces más partículas en cada cruce de los haces, y habrán de responder igual o mejor que en la actualidad en el LHC.

'Trackers'

Como consecuencia los trackers, las partes del detector que registran la trayectoria de las partículas, tendrán que multiplicar por cinco su granularidad (equivalente al número de píxeles de una cámara digital) para poder dar cuenta del mayor número de partículas que los van a atravesar.

Otras partes del detector, como los calorímetros, cuya función es absorber las partículas para medir su energía, no verán tanta diferencia con las nuevas condiciones de trabajo, siempre que los trackers les proporcionen información precisa sobre las trayectorias de las partículas.

Acordar las características que ha de tener el tracker del experimento ATLAS y preparar su construcción es el objetivo del encuentro ITK-Week, que se celebra desde el lunes en el campus de Burjassot-Paterna de la UV, y termina hoy. El encuentro reúne a científicos de las 96 instituciones internacionales que participan en este proyecto, al que el IFIC contribuye desde su comienzo en 2007.

El IFIC juega un papel importante en el diseño y construcción de una parte de los trackers, que deben ser capaces de registrar las trayectorias de las partículas con una resolución espacial de veinte millonésimas de metro. Los científicos y técnicos del IFIC están diseñando y caracterizando los sensores de silicio que forman el tracker, los soportes 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, que permitirá mantener la resolución espacial general y soportará los sensores del tracker.

El Instituto también tiene un papel importante en la electrónica que extraerá los datos de los calorímetros, que debe llevar a cabo su función lo suficientemente rápido como para permitir que el sistema decida si los datos de una determinada colisión deben guardarse o se pueden descartar.

La Universidad de Valencia pertenece al ecosistema de innovación Global ImasT, del grupo eGauss, que celebrará su evento anual el 23 de noviembre, en varias sedes de toda España de forma simultánea.