Diapositiva 1 - Instituto de Física Corpuscular

El Colisionador LHC:
la máquina del Big-Bang
Antonio Ferrer Soria
Catedrático de la Univ. de València
Instituto de Física Corpuscular (IFIC)
RSEAPV, Centro Cultural Bancaja, 24 Noviembre 2008
Guión de la Conferencia
1) Introducción:
Física de Partículas y Cosmología
2) Problemas pendientes:
El bosón de Higgs y la materia oscura.
3) El CERN y los Aceleradores de Partículas
4) El gran colisionador de hadrones LHC
5) El Experimento ATLAS en el LHC
6) Participación del IFIC de Valencia en
ATLAS
7) Conclusiones y perspectivas
2
1) Introducción:
Física de Partículas
y
Cosmología
El estudio de lo
infinitamente pequeño
y lo
infinitamente grande
Del Microcosmos al Macrocosmos
• La física de partículas:
- busca las componentes fundamentales de la materia
- estudia cómo funcionan sus interacciones
- necesita energías altísimas (como en los primeros 10-10s del Universo)
- y espera encontrar una teoría que lo explique todo
• La Cosmología:
-estudia el origen del Universo (Big-Bang)
-describe su evolución hasta hoy
en las últimas tres décadas, se ha realizado una profunda
conexión entre lo más pequeño y lo más grande:
EL UNIVERSO
(1025 m)
qué pasó desde el Big Bang
qué partículas hay
LAS PARTÍCULAS
( de 10-18m a 10-34m)
La física de partículas observa la materia en sus
dimensiones más pequeñas.
Aceleradores
Microscopios
Binoculares
Telescopios ópticos y
radiotelescopios
La Cosmología estudia el origen y la evolución del Universo.
¿De
¿De qué
qué está
está hecha
hecha la
la materia?
materia?
Molécula de agua
Moléculas
Átomos
H2O
Núcleos, electrones
Partículas elementales
Electrón, e
quark u
Fotón, γ
Gluón, g
quark d
No a escala!
Protones, Neutrones
Quarks, Leptones
Las fuerzas son también partículas
n
nnpp
p
n p nnn
p
ppn
p
p
pn
Electromagnetic
force
Electromagnética
rel strength = 10-5
range = 10-17
Weak
force
Débil
Strong
force
Fuerte
rel strength = 10-38
range = 10-15
Gravitatoria
q
q
La Física de Partículas, hoy
El Modelo Estándar: 3 ingredientes:
1) Las partículas (ladrillos)
(8)
2) Las fuerzas (cemento)
3) El bosón de Higgs
Además, cada partícula, tiene su antipartícula
Materia y Antimateria
Quarks
Anti
Leptones
+1
0
Leptones
+2/3
-1/3
-1
I
u
d
e
νe
e
νe
u
d
II
c
s
μ
νμ
μ
νμ
c
s
III
t
b
τ
ντ
τ
ντ
t
b
g
γ
0
Anti
Quarks
Z W+ W-
W+ W- Z
H
-2/3 +1/3
γ
g
Bosones
Higgs
¿Porqué no vemos Antimateria
en el Universo?
…Afortunadamente no hay
antimateria en el vecindario del
sistema solar…
Bosón de Higgs:
La partícula más buscada
• Es una partícula
hipotética predicha por el
Modelo Standard
– No se sabe su masa
– Es un campo escalar, tiene
espín cero
– Es su propia antiparticula
• No ha sido observada
hasta el momento
• Explica el origen de las
masas de otras partículas
elementales
Peter Higgs: físico escocés
(1929-
)
La Cosmología, hoy:
La teoría del Big-Bang
Historia del Universo
¿DE QUÉ ESTÁ HECHO EL UNIVERSO?
► casi todo el Universo está hecho de componentes que no conocemos:
le hemos dado nombre, pero no sabemos mucho más de ellas.
► la “materia normal”: estrellas, planetas.... = átomos = núcleos y
electrones = quarks y leptones es el 4%: ES MINORITARIA
75%
ENERGÍA
OSCURA
MATERIA
OSCURA
4%
MATERIA
NORMAL
► “la última revolución Copernicana... Ni estamos en el centro del
Universo, ni estamos hechos de la materia que mayoritariamente lo
compone” (B. Sadoulet)
LA ENERGÍA OSCURA
• El universo (el espacio
entre galaxias) se
expande (Hubble)
• La masa presente en el
universo decelera y
retrasa su expansión
• La expansión del
universo se acelera: el
75% del universo es
energía oscura
La materia oscura
¿Cuánta masa hay en el universo?
La manera más directa es ver cómo se mueven
las masas que vemos: planetas, estrellas, nubes
galácticas, galaxias, cúmulos de galaxias.
Por ejemplo: a partir de las leyes de Newton es
muy fácil ver que los planetas se mueven
alrededor del sol con una velocidad dada por:
v = GM s /r
Esto nos permite calcular la masa del sol:
2x1030Kg
Curva de rotación de los planetas
La Tierra
La materia oscura
Estas curvas de rotación también pueden medirse para las
galaxias o para galaxias enteras moviéndose dentro de un
cúmulo de galaxias.
Esto indica que la densidad de materia en el halo de la galaxia
no decrece como lo que se espera a partir de la cantidad de luz
detectada.
Entonces: ¿qué es la materia oscura?
• tiene que consistir de partículas con interacciones
débiles, como los neutrinos
• Si las partículas tienen masa entre 10 GeV y 1 TeV, y se
formaron en los primeros momentos del Big Bang, todo
encaja. Esto define el WIMP (= Weakly Interacting
Massive Particle)
• y una de las teorías preferidas (por nosotros, físicos
de partículas) prevé precisamente una partícula como
el WIMP: el neutralino de la Supersimetría
• En nuestro entorno galáctico los WIMP abundan: si la
masa es 100 GeV, tendríamos unos 3·103/m3, pasando
por la tierra como los neutrinos
2) El CERN
y los
Aceleradores de Partículas
CERN
Laboratorio Europeo de Física de Partículas
•
•
•
•
Fundado en 1954 por 12 países.
En la actualidad: 20 estados miembros.
Más de 9000 usuarios de todo el mundo.
~600 M€ / Presupuesto anual.
1954: Convención del acuerdo de la Organización – Firmas originales
2004: Los 20 estados miembros
Distribución de los usuarios del CERN según el País al
que pertenece su Instituto (5 de Febrero de 2008)
El CERN es la sede de la cadena de aceleradores
más compleja del mundo
450 GeV – 7 TeV
26 GeV – 450 GeV
50 MeV – 1.4 GeV
1.4 – 26 GeV
La carrera de los Aceleradores
LHC
2008-2009
•La energía es la salsa
de la física de partículas
ILC/CLIC
(2015-2025)
•En los últimos 30 años
la energía ha aumentado
x 1000
• Ya
se ha llegado al tope
de las tecnologías actuales
© Physics Today
Mapa del CERN
Sede Central CERN
2º centro CERN
Acelerador SPS
Aeropuerto de Ginebra
Acelerador
LHC
Acelerador
En un acelerador, las partículas cargadas se aceleran debido al campo
eléctrico (diferencia de potencial).
-
+
+
+
-
+
RF
-
En casa, antes teníamos todos un acelerador: la televisión con tubo de
rayos catódicos.
Aceleradores circulares
Las partículas giran muchas
veces
Trayectoria curva
gracias a los imanes
Todo ello
SINCRONIZADO
Trayectoria circular
(alto vacío)
Esto se llama:
Sincrotrón
Pequeño acelerador
lineal
+
Sincrotrones-Colisionadores
imanes curvatura
R
Sección de
Aceleración
Imanes
focalización
Tubo de vacío
Detectores
En una colisión, se producen muchas partículas.
Hay que identificar y medir todo (E, Px, Py, Px) para
todas las partículas que se producen en la “colisión”.
Se cumple
E=mc2
+
-
Detectores de partículas
Detector
Detectorde
detrazas
trazas
Calorímetros
Calorímetros
Identificación
Identificaciónde
departículas
partículas
Varias
Variascapas
capasmuy
muyfinas
finasde,
de,por
porejemplo,
ejemplo,silicio
silicio
Detectores de partículas
Detector
Detectorde
detrazas
trazas
Calorímetro
hadrónico
de
ATLAS
Calorímetro
hadrónico
de
ATLAS
Calorímetros
Calorímetros
Hierro
Hierrocon
conplástico
plásticocentelleador
centelleadoryy
Identificación
de
fibras
para
señal
Identificación
delapartículas
partículas
fibrasópticas
ópticas
pararecoger
recoger
la
señal
Miden
Miden la
la energía
energía de
de distintos
distintos tipos
tipos de
de
partículas:
partículas:
•• Electromagnéticos:
Electromagnéticos: sensibles
sensibles aa fotones,
fotones,
electrones
electrones yy positrones
positrones
•• Hadrónicos:
Hadrónicos: sensible
sensible aa los
los hadrones
hadrones
(particulas
que
contiene
quarks)
(particulas
que
contiene
quarks)
•• El
número
total
de
partículas
es
proporcional
El número total de partículas es proporcionalaalalaenergía
energíade
delala
partícula
partículaincidente.
incidente.
•• La
Laseñal
señalen
enelelmaterial
materialsensible
sensiblees
esproporcional
proporcionalalalnúmero
númerode
de
partículas
partículasque
queloloatraviesan.
atraviesan.
Detectores de partículas
Detector
Detector de
de trazas
trazas
Calorímetros
Calorímetros
Identificación
Identificación de
de partículas
partículas
Combinamos
Combinamos la
la señal
señal de
de los
los detectores
detectores de
de
trazas
trazas yy de
de los
los calorímetros.
calorímetros.
También
También se
se utilizan
utilizan detectores
detectores específicos
específicos
para
para identificar
identificar muones.
muones.
Los
Los muones
muones atraviesan
atraviesan los
los calorímetros
calorímetros sin
sin ser
ser
absorbidos,
absorbidos, sólo
sólo producen
producen ionización.
ionización.
3) El gran colisionador de
hadrones
LHC
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) será el
instrumento de investigación de partículas más potente
jamás construido.
Alcanzará una energía mucho
más alta que la de cualquier
acelerador del mundo (14 TeV)
• Los haces más intensos de
colisión de partículas
• Operará a una temperatura
más baja que la del espacio
exterior
• Cuatro cavernas subterráneas
gigantes albergarán los grandes
detectores
.
El colisionador LHC
Alpes
Suiza
CERN
Francia
100 m
Ginebra
27 km
El colisionador LHC
Sincrotrón
Cavidad de radiofrecuencia
pp
Inyección
Imanes
dipolares
Imanes
focalizadores
pp
LHC utiliza alrededor de 9300 imanes:
Cavidades de radiofrecuencia para acelerar los haces.
Dipolos: para mantener los haces en órbitas circulares
Quadrupolos: para limitar las divergencias del haz y
focalizarlos en los puntos de interacción para obtener alta
luminosidad.
Sextupolos, Octupolos,….: imanes correctores.
Cavidades de Radio-Frecuencia
Los haces se aceleran mediante 8
cavidades de radiofrecuencia
(400 MHz) que proporcionan 16
MV/haz
El haz gana 0.5 MeV por vuelta y
tarda ~ 20 minutos en alcanzar 7
TeV.
Haz
Onda electromagnética
vista desde arriba
(rojo +, azul -)
Es como si las partículas practicaran
‘surf’ sobre la onda electromagnética:
Define la estructura de
paquetes del haz
~2800 paquetes.
~1011 prot.
25 ns
Los imanes
El
El mayor
mayor desafío
desafío tecnológico
tecnológico del
del LHC
LHC son
son sus
sus 1232
1232
dipolos
dipolos superconductores.
superconductores.
Ton
5
3
/
m
3
.
4
1
eladas
Hay
que
Para
Para
Para
alcanzar
evitar
ahorrar
colisiones
este
en
coste,
campo
con
el
Hay
quecurvar
curvar
los
Para
Para
alcanzar
ahorrar
este
enlos
coste,
campo
el
protones
de
7del
TeV
en
los
magnético
las
mismo
moléculas
imán
tan
aire,
los
ylos
protones
deacelera
7intenso
TeV
en
magnético
mismo
imán
tan
acelera
intenso
los
y
27
de
circunferencia
27Km
Km
depotencia
circunferencia
reducir
dentro
dos
haces
del
la
de
tubo
del hazen
reducir
dos
haces
la
potencia
de protones
protones
en
del
LHC
→
campos
del
LHC
→
campos
consumida
se
sentidos
hace
elopuestos
se
ultra
utilizan
alto(dos
vacío
consumida
sentidos
opuestos
se
utilizan
(dos
magnéticos
de
8,3
Teslas,
-9 atm).
magnéticos
de
8,3
Teslas,
imanes
(10
aceleradores
superconductores,
en
uno).
imanes
aceleradores
superconductores,
en
uno).
200.000
el
campo
200.000veces
veces
elbaño
campo
sumergidos
en
un
de
sumergidos
en
un
baño
magnético
terrestre.
(presión
a 1000
Km de de
magnético
terrestre.
Helio
superfluido
aa
Helio
superfluido
altura,10 veces menos
ooC (1.9oque
-271
atmósfera
-271 C (1.9oK).
K). en la
Luna)
(Inferior
(Inferior aa la
la temperatura
temperatura
del
del espacio
espacio exterior)
exterior)
Quadrupolos
En
Enelelpunto
puntode
decolisión
colisiónelelhaz
haztiene
tieneuna
una
dimensión
dimensiónde
de16
16μm
μm
Los cables de niobio-titanio
∅1
mm
∅6 μm
Los
Los imanes
imanes utilizan
utilizan un
un
total
total de
de 250.000
250.000 Km
Km de
de
hilos
hilos superconductores,
superconductores,
suficiente
suficiente para
para dar
dar 6,8
6,8
veces
veces la
la vuelta
vuelta aa la
la
tierra
tierra por
por el
el ecuador.
ecuador.
Los
Los cables
cables consisten
consisten en
en
6300
6300 filamentos
filamentos de
de
niobio-titanio,
niobio-titanio, envueltas
envueltas
en
en cobre.
cobre. El
El diámetro
diámetro
de
de cada
cada filamento
filamento 10
10
veces
veces menor
menor que
que la
la de
de
un
un cabello
cabello humano
humano
El mayor frigorífico de mundo
Se necesitan 140 Toneladas
de He y 10.000 Toneladas
de N2 líquido.
Instalación de los imanes
La energía del LHC
El
ElLHC
LHCalmacenará
almacenaráuna
unaenergía
energíaen
ensus
sushaces
hacesde
de360
360MJ/haz
MJ/haz
11
(2809
protonesxx77TeV)
TeV)
(2809paquetes
paquetesxx1110
1011protones
Energía
aa 200
EnergíaCinética:
Cinética:
200Km/s.
Km/s.
Energía
EnergíaQuímica:
Química: 80
80Kgr
Kgrde
deTNT.
TNT.
Energía
EnergíaTérmica:
Térmica: suficiente
suficientepara
parafundir
fundir500
500Kgr
Kgrde
decobre.
cobre.
La
Laenergía
energíanecesaria
necesariapara
parahacer
hacerfuncionar
funcionarel
elLHC
LHCserá
seráequivalente
equivalente
alalconsumo
consumoeléctrico
eléctricode
delalaciudad
ciudadde
deGinebra
Ginebra
4) El Experimento
ATLAS
en el LHC
Diámetro
Diámetro
Longitud
Longitud
Peso
Peso
Cables
Cables
Canales
Canalesde
deelectrónica
electrónica
25
25m
m
46
46m
m
7000
7000Toneladas
Toneladas
3000
3000Km
Km
100.000.000
100.000.000
Colaboración
ATLAS
35 Paises
165 Instituciones
2000 Científicos
(en septiembre de 2007)
Albany, Alberta, NIKHEF Amsterdam, Ankara, LAPP Annecy, Argonne NL, Arizona, UT Arlington, Athens, NTU
Athens, Baku, IFAE Barcelona, Belgrade, Bergen, Berkeley LBL and UC, HU Berlin, Bern, Birmingham, Bologna,
Bonn, Boston, Brandeis, Bratislava/SAS Kosice, Brookhaven NL, Buenos Aires, Bucharest, Cambridge, Carleton,
Casablanca/Rabat, CERN, Chinese Cluster, Chicago, Clermont-Ferrand, Columbia, NBI Copenhagen, Cosenza,
AGH UST Cracow, IFJ PAN Cracow, DESY, Dortmund, TU Dresden, JINR Dubna, Duke, Frascati, Freiburg, Geneva,
Genoa, Giessen, Glasgow, Göttingen, LPSC Grenoble, Technion Haifa, Hampton, Harvard, Heidelberg, Hiroshima,
Hiroshima IT, Indiana, Innsbruck, Iowa SU, Irvine UC, Istanbul Bogazici, KEK, Kobe, Kyoto, Kyoto UE, Lancaster,
UN La Plata, Lecce, Lisbon LIP, Liverpool, Ljubljana, QMW London, RHBNC London, UC London, Lund, UA Madrid,
Mainz, Manchester, Mannheim, CPPM Marseille, Massachusetts, MIT, Melbourne, Michigan, Michigan SU, Milano,
Minsk NAS, Minsk NCPHEP, Montreal, McGill Montreal, FIAN Moscow, ITEP Moscow, MEPhI Moscow, MSU
Moscow, Munich LMU, MPI Munich, Nagasaki IAS, Nagoya, Naples, New Mexico, New York, Nijmegen, BINP
Novosibirsk, Ohio SU, Okayama, Oklahoma, Oklahoma SU, Oregon, LAL Orsay, Osaka, Oslo, Oxford, Paris VI and
VII, Pavia, Pennsylvania, Pisa, Pittsburgh, CAS Prague, CU Prague, TU Prague, IHEP Protvino, Regina,
Ritsumeikan, UFRJ Rio de Janeiro, Rome I, Rome II, Rome III, Rutherford Appleton Laboratory, DAPNIA Saclay,
Santa Cruz UC, Sheffield, Shinshu, Siegen, Simon Fraser Burnaby, SLAC, Southern Methodist Dallas, NPI
Petersburg, Stockholm, KTH Stockholm, Stony Brook, Sydney, AS Taipei, Tbilisi, Tel Aviv, Thessaloniki, Tokyo
ICEPP, Tokyo MU, Toronto, TRIUMF, Tsukuba, Tufts, Udine/ICTP, Uppsala, Urbana UI, IFIC Valencia,
UBC Vancouver, Victoria, Washington, Weizmann Rehovot, FH Wiener Neustadt, Wisconsin, Wuppertal, Yale,
Yerevan
Los detectores valencianos en ATLAS
1. El calorímetro hadrónico TiCal
2. El Detector Interno de Silicio
3. El proyecto GRID
Placas de hierro,
Pegadas.
Precisión mejor
que 1 mm
Los submódulos de TiCal:
manteniendo la presión de pegado…
Inspección de un módulo del calorímetro
hadrónico de ATLAS
España (Valencia +
Barcelona) construyó
un barril de
= 64 modules
640 Toneladas
50% submódulos en
Valencia (IFIC)
50% submódulos en
Barcelona (IFAE)
Detector Interno de ATLAS
Pixel: φ 5,9,12 cm
TRT : 80 Mpix, 1,7 m2
36 points
SCT : 8 points
Instalación del detector interno
La
La sofisticada
sofisticada electrónica
electrónica de
de los
los detectores
detectores convierte
convierte las
las
señales
señales de
de las
las partículas
partículas en
en señales
señales eléctricas
eléctricas
Almacenamiento y procesado de datos
LHC
LHC necesita
necesita almacenar
almacenar 10
10
Petabytes
Petabytes de
de datos
datos por
por año
año
(20
(20 Km
Km de
de CD-ROMs)
CD-ROMs)
yy ~~ 100,000
100,000 de
de los
los PCs
PCs
actuales
actuales para
para procesarlos.
procesarlos.
1 Megabyte (1MB)
Una foto digital
1 Gigabyte (1GB)
= 1000MB
5GB = una película en
DVD
x109
1 Terabyte (1TB)
= 1000GB
Producción mundial de
libros
1 Petabyte (1PB)
= 1000TB
~ Producción anual de
uno de los
experimentos de LHC
1 Exabyte (1EB)
= 1000 PB
3EB = Producción anual
de información
LHC GRID
Los
Losdatos
datosse
seexportarán
exportarán
desde
desdeel
elCERN
CERNaauna
una
velocidad
velocidadde
de1GB/s
1GB/saalos
los11
11
centro
centrode
decomputación
computación
repartidos
repartidospor
portodo
todoel
el
mundo,
mundo,donde
dondese
se
almacenarán
almacenarányyprocesarán
procesarán
los
losdatos
datospara
paradistribuirlos
distribuirlos
aalos
losdistintos
distintosinstitutos
institutos
(~100)
(~100)para
parasu
suanálisis.
análisis.
Todos
Todoslos
losmiembros
miembrosde
delas
las
colaboraciones
colaboracionestendrán
tendrán
acceso
accesoaa los
losdatos
datosgracias
gracias
alalGRID
GRIDpara
paraLHC
LHC
Modelo de computación del LHC
Spain
Huella del Higgs en el LHC
Los dos haces de protones colisionarán frontalmente
800 millones de veces por segundo en el LHC.
Esperamos encontrar sólo 1 Higgs en
1,000,000,000,000 de sucesos.
CONCLUSIONES
• ...la física de partículas y la cosmología – cada una por
su lado - han cogido un gran impulso en los últimos 15
años.
• la física del LHC abrirá una nueva era de
descubrimientos... A partir del verano 2009
• ...no está nada mal ser físico de partículas en este
momento!
Agujeros Negros
Muchas preguntas pendientes
¿Por qué tienen masa las partículas?
Y ¿por qué tienen la masa que tiene?
¿Dónde está el bosón de Higgs? Y si existe, ¿cuáles
son sus propiedades?
¿Dónde ha ido la antimateria del Universo?, ¿Son
realmente simétricas la materia y la antimateria?
¿Qué es la materia oscura?
¿Son realmente las partículas “elementales”?
¿Por qué hay tres familias?
¿Existen más de tres dimensiones?
¿Cómo incluir gravedad?
………………