México presente ALCANZÓ ENERGÍAS RÉCORD EL

México presente
ALCANZÓ ENERGÍAS RÉCORD EL ACELERADOR LHC
***Permanecerá en funcionamiento los próximos 18 o 24 meses
***La meta, duplicar en el mediano plazo el nivel generado
*Luis Manuel Montaño Zetina
En noviembre de 2009 se obtuvieron resultados de las tan
esperadas primeras colisiones de haces de protones circulando en
sentidos contrarios en el Gran Colisionador de Hadrones (LHCLarge Hadron Collider por sus siglas en inglés), primero a energías
de 900GeV y luego a 2.36TeV. Posteriormente, en el 2010 se
obtuvieron colisiones a 7TeV. Las primeras publicaciones de estos
resultados no se hicieron esperar. Esto marca el inicio de una
actividad científica sin precedentes en el área de partículas
elementales, en la búsqueda de entender mejor el origen y la
formación de la materia, tanto conocida como no conocida en el
universo.
El LHC [1], en el Centre Européen pour la Recherche Nucléare (CERN
por sus siglas en francés), uno de los proyectos científicos más
ambiciosos y costosos de nuestra era [2], obtuvo entre finales de 2009 y
principios de 2010, los tan esperados primeros resultados dentro de su
programa de investigación: las primeras colisiones de haces de
protones a energías nunca antes alcanzadas.
Situado entre la frontera de Francia y Suiza (ver figura 1), cerca de la
ciudad de Ginebra y a una profundidad promedio de entre 60 a 80
metros, el LHC es el acelerador de partículas más grande del mundo.
Consiste en un complejo de magnetos semiconductores, sistemas de
enfriamiento, conductos por los que viajan haces de partículas cargadas
en sentidos opuestos y a velocidades cercanas a la de la luz, todo
dentro de un túnel circular de casi 27 kilómetros de circunferencia.
Figura 1. El LHC y sus cuatro principales experimentos: ALICE, ATLAS,
CMS y LHCb.
En el programa de investigación del LHC, uno de sus objetivos
esenciales es explicar fenómenos aún no entendidos por la física de
partículas elementales o de altas energías, a través del estudio de la
materia. Para ello, es necesario crear choques de haces de partículas
subatómicas como protones o electrones, o bien de iones pesados
como oro o plomo (ver figura 2) y al registrar los resultados de estos
choques e identificar los productos de las colisiones a través de
detectores, se reconstruyen estos eventos con los cuales podremos
conocer más sobre los constituyentes más básicos de la materia en el
universo.
Aunque el LHC comenzó oficialmente sus actividades en septiembre de
2008, en medio de una gran euforia y un poco de temor por el supuesto
peligro que representaba, no fue sino hasta noviembre de 2009 que se
lograron las tan esperadas colisiones de protones. Esta pausa de más
de un año, se debió a la necesidad de reparar la falla que hubo a un
mes de haber iniciado [3].
Figura 2. Estructura microscópica de la materia.
En algunos documentos de divulgación anteriores [3, 4, 5,6], profesores
mexicanos, integrantes del equipo que colabora en este gran proyecto,
hemos explicado y difundido las tareas y objetivos del LHC, además de
dar a conocer nuestra participación en él. En el acelerador LHC existen
ocho puntos posibles para que se puedan efectuar las colisiones, cuatro
de esos puntos, están constituidos por los grandes detectores llamados
ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. México, a través de varios investigadores
de diferentes institutos, participa en dos de ellos: ALICE y CMS.
El lunes 23 de noviembre, el LHC logró un primer gran objetivo dentro
de su programa de investigación y funcionamiento: tener los dos haces
de protones, en circulación simultánea y en distintas direcciones. Con
estos haces se obtuvieron las primeras colisiones en diferentes puntos
del acelerador (cada punto corresponde a cada gran detector), pero a
baja intensidad por cuestiones de seguridad.
La idea principal era que las primeras colisiones sirvieran como prueba
del funcionamiento del acelerador. Así se logró tener ensambles (en
inglés llamados bunches) de protones, uno por haz de sólo 3x109
protones. Si funciona a mayor capacidad, el LHC puede lanzar varios de
estos ensambles en cada haz y así incrementar la cantidad de
interacciones.
Resultados y publicaciones
La Colaboración ALICE, donde participamos un grupo de investigadores
mexicanos de diferentes institutos, a través de los subsistemas
llamados ACORDE y V0A, envió para su publicación los resultados de
estas primeras colisiones antes de que acabara el año 2009. Este
documento, trata del análisis de 284 eventos detectados durante los
choques de protones [7]. Ahí se presentan medidas de la densidad de
las partículas cargadas, producidas en esos choques con respecto a la
pseudorapidez (parámetro relacionado con el ángulo polar y el eje del
haz) a 900GeV de energía de interacción. Estos eventos fueron
registrados sin campo magnético.
Para el análisis de estos datos se usó el subsistema de ALICE, llamado
SPD, aunque mucha información vino también a través de los
subsistemas SDD, SSD y el V0, para verificar la información que se
obtenía y quitar eventos falsos. En este documento, también se hace
una comparación de estos resultados con los previamente obtenidos en
el mismo CERN 25 años antes, a través del acelerador SPS (como una
etapa de aceleración para el LHC), aunque estos experimentos
trabajaron con colisiones protón-antiprotón.
La comparación se logró, ya que a grandes energías de interacción,
como en este caso, la diferencia entre las densidades de partículas
cargadas producidas entre las interacciones protón-protón y protónantiprotón, decrece como el inverso de la energía de colisión. También
las colaboraciones CMS y ATLAS enviaron sus resultados para
publicarlos [8,9].
Las colisiones en el LHC y los datos que de ellos surgieron, continuaron
hasta el 16 de diciembre, fecha en que se decidió hacer una pausa para
ajustar el LHC, con el objetivo de alcanzar mayores energías de
colisión. De esta forma, a principios de 2010 haces de protones
nuevamente circularon por el acelerador LHC. Para este inicio, fue
necesario dedicar algunas semanas para verificar el funcionamiento
adecuado de los magnetos y demás sistemas de control del acelerador.
El plan era alcanzar una energía de los haces de 1.18 TeV por haz e,
inclusive, llegar hasta 3.5 TeV por haz. Tras este inicio de actividades
en el 2010, se planea tener al LHC en funcionamiento sin grandes
pausas por los próximos 18 o 24 meses. Posterior a este periodo de
actividad, habrá un receso para prepararlo a alcanzar aún mayores
energías. Se tiene planeado llegar a 14 TeV (7TeV por haz).
Este receso necesario se debe a que el LHC es también un gran
instrumento criogénico, esto implica que cada etapa de aceleración
viene acompañada de una fase larga de enfriamiento y calentamiento.
Para su mayor rendimiento, se pensó en dos posibilidades: que el
acelerador funcionase por periodos cortos y con muchas pausas
durante varios años, o que funcionase por un periodo relativamente
largo (dos años), para posteriormente tener una pausa relativamente
larga. Se decidió por esta segunda opción, ya que así los experimentos
podrán registrar a mediano plazo datos suficientes para hacer estudios
significativos dentro de sus respectivos programas de investigación.
Colisiones a 7TeV
El 28 de febrero se realizó una inyección de protones al acelerador, con
la que se logró que estas partículas llegaran a energías de 450GeV por
haz, esto sirvió para probar la estabilidad y los múltiples sistemas que
necesita el LHC para alcanzar energías mayores. Una vez que todo
estuvo bajo control, el 12 de marzo se elevó la energía a 1.18TeV.
Finalmente, después de varias pruebas para poder aumentar la energía,
se consiguió llegar a 3.5TeV por haz. El 30 de marzo de 2010, a un mes
de que el LHC empezó sus actividades de este año, se consiguieron las
primeras colisiones de protones a 7TeV (3.5TeV por haz, ver figura 3).
Las cuatro colaboraciones del LHC registraron eventos en sus sistemas
de detección, lo cual confirmó que se habían logrado colisiones por
primera vez a energías de 7TeV. Posteriormente, durante los siguientes
días se acumularon millones de eventos que hoy son analizados y
cuyos resultados serán publicados en los próximos meses.
Figura 3. Primeras colisiones a 7TeV (corrida 114783 evento 131)
Cabe mencionar que para los investigadores mexicanos involucrados
en el LHC, a través de los detectores ALICE y CMS, el reinicio de las
actividades del LHC en el 2009, con las primeras colisiones de protones
a energías jamás logradas, es una gran meta cumplida. Muchos de
nosotros estamos dentro de esta gran colaboración desde hace más de
diez años y, en particular en ALICE (ver figura 4), nuestra participación
se dio en la planeación y construcción de dos subsistemas llamados
ACORDE y V0A.
Con el conocimiento de que antes de la puesta en marcha del LHC
nuestros detectores estaban listos, fueron probados y funcionaron
óptimamente; en particular el V0A (integrante del subsistema completo
V0), fue clave para las primeras colisiones, como se puede ver en el
primer artículo de ALICE, hecho que nos llena de orgullo y satisfacción.
Figura 4. Algunos de los participantes en el experimento ALICE.
Referencias
1. http://lhc.web.cern.ch/lhc/
2. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julioseptiembre 2008, 101
3. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julioseptiembre 2008, 107
4. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julioseptiembre 2008, 117
5. Véase, por ejemplo, L. M. Montaño, Avance y Perspectiva, 20,
75 (2001)
6. L. M. Montaño y G. Herrera, Avance y Perspectiva, 17, 357
(1998)
7. ALICE Collaboration 2010 Eur. Phys. J. C65 111.
arXiv:0911.5430
8. ATLAS
Collaboration aceptado en
Phys. Letts. B
arXiv:1003.3124
9. CMS Collaboration 2010 JHEP 2 041 arXiv:1002.0621v2
*El autor es investigador titular del
Departamento de Física del Cinvestav.
[email protected] (Tel: 57473839)