Con este post acabamos la serie sobre los aceleradores de partículas. Puedes encontrar los otros artículos de la serie aquí y aquí. Esperamos que os haya interesado.

El presente, el “Large Hadron Collider (LHC)”, del CERN

El Gran Colisionador Hadrónico del CERN es un colisionador protón-protón, construido en el mismo túnel del LEP, que colisiona protones contra protones a energía de centro de masas hasta 13 TeV, o iones contra iones a energías de 2,56 TeV por nucleón, cuyo funcionamiento comenzó en 2010 tras una parada técnica desde el otoño de 2008. Su coste fue de aproximadamente 6500 millones de euros. Está alimentado por un conjunto de aceleradores, incluido el SPS. Consta de una malla de casi 1232 imanes dipolares de 15 metros de longitud con un campo magnético de 8,33 T, 392 cuadrupolos de 5 a 7 metros y otros imanes, que hacen un total de 9593, además de 8 cavidades de radiofrecuencia por haz. Tanto la mayor parte de los imanes como las cavidades aceleradoras son superconductores trabajando a la temperatura del Helio superfluído, 1,9 Kelvin, por debajo de la temperatura del fondo cósmico de microondas. El vacío en las pipas es de 10^–7 Pa y en los puntos de colisión 10^–9 Pa.

Puede trabajar con 2808 paquetes de haces, espaciados 25 nanosegundos, constituidos por 1.2 x 10¹¹ protones cada uno en el momento de inserción en el acelerador, produciéndose en torno a 600 millones de colisiones por segundo. El tamaño nominal de los haces en el punto de colisión es de 7,5 cm de longitud y 16 × 16 mm² de sección.

En LHC hay 8 puntos de cruzamiento de los haces en cuatro de los cuales están situados los experimentos ATLAS y CMS de propósito general, el experimento LHCb diseñado para el estudio de la asimetría materia-antimateria en hadrones con contenido de quark b, y el experimento ALICE especializado en colisiones de iones pesados para el estudio del plasma quark-gluon que se supone constituía la sopa cósmica del Universo en sus instantes primigenios.

En 2012 ATLAS y CMS anunciaron el descubrimiento más importante de la historia del modelo estándar, el del bosón de Higgs en sus canales de desintegración a 2 fotones y a 2 bosones Z. Ello propició la concesión del premio Nobel de Física de 2013 a Peter Higgs y Francois Englert, dos de los teóricos que formularon la teoría en 1964.

En la actualidad se está procediendo a una mejora para lograr aumentar la luminosidad en un factor 10, aproximadamente, hasta la parada prevista en 2026 para la implementación a alta luminosidad.

El futuro de los grandes aceleradores de partículas

Actualmente existen diversos proyectos internacionales para el futuro de las altas energías con aceleradores de partículas entre los que ya ha sido aprobado el LHC a alta luminosidad, mientras otros se encuentran en fases diversas de desarrollo a la espera de las decisiones de las instituciones y los gobiernos.

En 2016 fue aprobado oficialmente, por el consejo del CERN, una mejora sustancial en el LHC conducente a aumentar la luminosidad instantánea de los haces en un factor 5 y la luminosidad total en un factor 10. El proyecto, denominado “High Luminosity LHC (HL-LHC)”, cuyo estudio y preparación se inició en 2010, supondrá una mejora tecnológica importante particularmente en los imanes de 11-12 Teslas, en la tecnología de los haces, su control preciso y los enlaces superconductores de alta potencia. La energía nominal de los haces será de 7 TeV, pero puede llegar a 7,5 TeV con algunas mejoras si fuese necesario.

El coste previsto es de 950 Millones de francos suizos y se prevé la instalación en 2026.

El International Linear Collider (ILC[1]) es un proyecto a escala mundial de futuro acelerador de partículas, el único que ha presentado ya su “Technical Design Report”. Es un colisionador lineal electrón-positrón que utiliza cavidades superconductoras de radiofrecuencia (1.3 GHz), con el fin de alcanzar una energía en centro de masas de entre 250 y 500 GeV y podría llegar incluso a 1 TeV. Los electrones estarán polarizados a un 80% en el punto de interacción y los positrones tendrán nominalmente una polarización del 30%, pudiendo alcanzar hasta un 60%. Se pretende una precisión y estabilidad en la energía mejor del 0,1%. La longitud completa para alcanzar los 500 GeV sería del orden de 31 Km.

Una vista esquemática del ILC (ILC Comms.)

Una versión prototipo ha sido ya probada y constituye la infraestructura de la instalación europea de rayos X de gran intensidad, XFEL, situada en DESY (Hamburgo).

El coste total para la primera fase del acelerador (250 GeV) se estima en unos 6500 millones de dólares de los cuales el 20%, aproximadamente, es debido a la obra civil.  Los detectores previstos, llamados ILD y SID funcionando alternadamente, tendrán un coste aproximado de 700 millones de dólares cada uno.

Más de 2400 científicos de todo el mundo han presentado el proyecto que, en caso de ser aprobado, se construiría en la región de Kitakami, al norte de Japón.

El ILC funcionará, en su primera fase, como una factoría de bosones de Higgs, permitiendo el estudio de sus acoplamientos a otras partículas con precisiones muy superiores a las que proporciona el LHC. Además, combinando sus medidas con las del LHC permitirá una física de precisión del Higgs un orden de superior mejor y podrá eliminar o favorecer diversos modelos de materia oscura. A energías superiores será, asimismo, una máquina capaz de explorar con extraordinaria precisión la física del quark top.

Distribución mundial de firmantes del Proyecto del ILC

La tecnología que utilizarán los dos detectores está diseñada de modo que se puedan realizar los objetivos de física y suponen un paso adelante muy importante tanto en la precisión de los detectores de trazas y vértices como en los calorímetros, de mucha mayor granularidad que en LHC, y los detectores de medida de la luminosidad. Una mejora considerable está en la utilización del denominado “Particle Flow” que permite utilizar combinadamente la información de los detectores de trazas y los calorímetros permitiendo una mejora importante en la resolución de energía de los chorros hadrónicos, un factor 2 respecto a LHC. Para ello una labor intensa de I+D se está realizando en todos los aspectos de detección y de electrónica, así como de algoritmos de reconstrucción y análisis y computación.

El “Compact Linear Collider” (CLIC)[2] es un proyecto de acelerador lineal de electrones y positrones  en la escala de los TeV, diseñado por el CERN desde 2012.

Está basado en un esquema de aceleración binario en el que estructuras aceleradoras, de conducción normal, de 12 GHz y de alto gradiente (72/100 MV/m) son alimentadas por otro haz de alta corriente mediante unas estructuras de transferencia (PETS). Está diseñado para funcionar en diversas etapas a 380 GeV, 1.5 TeV y 3 TeV.

Los haces de electrones y positrones, en número de 312, constarán de 3,7×10⁹ partículas, estarán espaciados 0,5 nseg., y tendrán, para 1,5 TeV, 44-70 mm. de longitud y 60×1,5 nm² de sección en el punto de interacción.

Esquema de aceleración binario de CLIC (CLIC coll.)

El coste estimado total de la primera etapa, a 380 GeV, es de 5890 millones de francos suizos. El diseño de los detectores sigue los mismos pasos que para el ILC con las particularidades impuestas por el sistema temporal de los haces y la alta energía, que hace más importante la detección a bajo ángulo. Lo mismo se puede decir respecto de la física y, de hecho, las dos comunidades ILC y CLIC trabajan coordinadamente en la misma.

Alternativamente a los aceleradores lineales electrón-positrón se están proyectando, en Asia y Europa, dos grandes aceleradores circulares, el CEPC (China) y el FCC-e (CERN, Europa).

CEPC se proyecta como un acelerador circular electrón-positrón de 100 Km. de circunferencia con energía en centro de masa de 240 GeV sirviendo como una factoría de Higgs (1 millón de sucesos) y con la capacidad de operar también como factoría de Z a 90 GeV (1 billón de sucesos) y de W a 160 GeV (20 millones de sucesos). Sería un doble anillo, salvo en las cavidades de aceleración superconductoras que serían comunes a ambos haces. Está previsto que la construcción acabe en 2030.

FCC-ee[3] es, asimismo, un proyecto de acelerador circular electrón-positrón de 100 Km. de circunferencia, en el CERN, para estudiar Z (100 ab^-1 de luminosidad integrada, correspondiente a aproximadamente 5 billones de sucesos), W (10 ab^-1, 100 millones de sucesos), Higgs (5 ab^-1,1 millón de sucesos) y pares de quarks top (1,7 ab^-1,1 millón de sucesos) en un período de 15 años iniciándose hacia 2039 que cubriría, en diferentes etapas, energías desde 88 GeV hasta 365 GeV. Las especificaciones técnicas son similares, pero mejoradas, a las del proyecto CEPC y el coste total estimado es de 10.000 millones de francos suizos. El consumo total de energía, uno de los principales problemas, es de aproximadamente 27 TWh.

Un mapa esquemático mostrando la ubicación del túnel de FCC (Imagen: CERN)

Aprovechando el anillo de 100 km del FCC-ee un proyecto futuro sería un acelerador de protones y iones, el FCC-hh[4], que alcanzaría energías en centro de masas de 100 TeV utilizando imanes dipolares de 16 T y una luminosidad integrada de 20 ab^-1, en 25 años de funcionamiento, produciendo 10000 millones de bosones de Higgs y más de 1 billón de pares top-antitop para cada uno de los dos experimentos que contendría. También podría colisionar iones de plomo a energía centro de masas de 39 TeV. Se plantea, asimismo, realizar colisiones electro-protón y electrón-ion.

Esta máquina extendería el rango potencial de descubrimiento de nuevas partículas en un orden de magnitud respecto a LHC.

El coste estimado es de 24000 millones de francos suizos (17000 millones si se tiene construida la infraestructura previa del FCC-ee). El consumo de energía en un año de operación es de aproximadamente 4TWh, un factor 3 respecto del consumo actual del CERN.

Otros  proyectos de aceleradores circulares con prestaciones similares a las de los FCC son los colisionadores de muones[5]. Están aún en estudio muy preliminar. Tienen la ventaja de ser colisionadores leptónicos que aprovechan toda la energía de colisión, de modo que a 16TeV ya serían potencialmente equivalentes a los colisionadores de protones de 100 TeV. A menores energías podrían funcionar como factorías de Higgs.

Si bien la  tecnología de aceleración, brevemente expuesta en este resumen, ha logrado alcanzar durante su historia varios órdenes de magnitud en la energía de las partículas, está todavía lejos de las energías características del Big Bang, la llamada energía de Planck , 1.22 × 10¹⁹ GeV, correspondiente a un estadio del Universo en el que la fuerza gravitacional y las fuerzas nucleares serían del mismo orden de magnitud, por lo que una teoría cuántica de la gravitación sería necesaria para analizarlo. Ése es uno de los grandes retos de la física fundamental actual junto con el descubrimiento de materia oscura y energía oscura, el origen de la asimetría materia-antimateria en el Universo y otras cuestiones a las que se trata de responder en los próximos años, utilizando las nuevas tecnologías de aceleradores y la combinación de experimentos de física de partículas, astrofísica y cosmología, radiación cósmica y detección de neutrinos y materia oscura en laboratorios de muy bajo fondo de radiación.

Aunque cabe todavía mucha mejora en el desarrollo de este tipo de tecnología de aceleradores que se remonta, esencialmente, a las ideas expuestas por Rolf Wideröe a comienzos del siglo XX, no es posible alcanzar energías siquiera unos pocos órdenes de magnitud superior a las actuales, cuanto menos a energías próximas a la escala de Planck, por lo que hay que ensayar nuevas técnicas de aceleración. Algunas ideas muy prometedoras se están llevando a cabo actualmente mediante la utilización de “campos de estela “(wakefields)” en plasmas, dirigidos por un haz de protones, con el fin de acelerar partículas como es el caso del proyecto AWAKE del CERN. Con esta tecnología pueden lograrse gradientes de campo eléctrico cientos de veces superiores a los de las cavidades superconductoras de radiofrecuencia empleadas en los aceleradores actuales, pero de momento se restringe a longitudes muy pequeñas.

Lograr energías superiores parece bastante complicado. Sin embargo, tenemos partículas a energías mucho más elevadas que las actuales, de forma natural, en los rayos cósmicos ultra energéticos que alcanzan hasta 10²⁰ eV, si bien éstos son escasos e incontrolables.

Como conclusión a este resumen podemos decir que la conexión entre ideas teóricas, tecnología avanzada y colaboración en el desarrollo y operación de experimentos sofisticados nos ha permitido profundizar enormemente en el estudio del Universo hasta momentos muy primigenios del mismo, su estructura y sus interacciones básicas. A la vez nos ha abierto nuevas preguntas que trataremos de resolver en este nuevo siglo, con nuevas tecnologías y nuevas ideas, en un círculo sin fin que constituye la esencia de la investigación científica y del progreso basado en el conocimiento.

[1] “The International Linear Collider A Global Project”, Linear Collider Collaboration and the global ILC community, presentado a la Estrategia Global Europea, 2019

[2] The Compact Linear Collider 2018 Summary Report, CERN-2018-005-M

[3] CERN-ACC-2019-0003, Future Circular Collider – European Strategy Update Documents

FCC-ee: The Lepton Collider, Eur. Phys. J. Special Topics 228, 261–623 (2019)

[4] FCC-hh: The Hadron Collider

Future Circular Collider Conceptual Design Report Volume 3, Eur. Phys. J. Special Topics 228, 755{1107 (2019)

[5] Input to the European Particle Physics Strategy:  Update Muon Colliders, The Muon Collider Working Group, arxiV:1901.06150.v1