Gran colisionador de electrones y positrones

El Gran Colisionador de Electrones y Positrones ( LEP ) fue uno de los aceleradores de partículas más grandes jamás construidos. Se construyó en el CERN , un centro multinacional de investigación en física nuclear y de partículas cerca de Ginebra , Suiza.

El LEP colisionaba electrones con positrones a energías que alcanzaban los 209 GeV. Era un colisionador circular con una circunferencia de 27 kilómetros, construido en un túnel a unos 100  metros (300  pies) bajo tierra, que atravesaba Suiza y Francia . El LEP estuvo en funcionamiento desde 1989 hasta 2000. Alrededor de 2001 fue desmantelado para dar paso al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que reutilizó el túnel del LEP. Hasta la fecha, el LEP es el acelerador de leptones más potente jamás construido.

LEP fue un colisionador de leptones circular, el más potente jamás construido. Para contextualizar, los colisionadores modernos se pueden clasificar generalmente según su forma (circular o lineal) y el tipo de partículas que aceleran y colisionan (leptones o hadrones). Los leptones son partículas puntuales y relativamente ligeras. Debido a su naturaleza puntual, sus colisiones son limpias y permiten mediciones precisas; sin embargo, precisamente por su ligereza, no alcanzan la misma energía que las partículas más pesadas. Los hadrones son partículas compuestas (formadas por quarks) y relativamente pesadas; los protones, por ejemplo, tienen una masa 2000 veces mayor que la de los electrones. Gracias a su mayor masa, pueden acelerarse a energías mucho más altas, lo cual es fundamental para observar directamente nuevas partículas o interacciones no predichas por las teorías actualmente aceptadas. Sin embargo, las colisiones de hadrones son muy complejas (a menudo hay muchas trayectorias no relacionadas, por ejemplo, y no es sencillo determinar la energía de las colisiones), y por lo tanto son más difíciles de analizar y menos susceptibles a mediciones de precisión.

La forma del colisionador también es importante. Los colisionadores de física de alta energía agrupan partículas en haces y luego los hacen colisionar entre sí. Sin embargo, solo una fracción muy pequeña de las partículas de cada haz colisiona realmente. En los colisionadores circulares, estos haces se mueven en direcciones opuestas siguiendo una trayectoria aproximadamente circular, lo que permite colisionar repetidamente. Esto posibilita una alta tasa de colisiones y facilita la recopilación de una gran cantidad de datos, lo cual es importante para mediciones de precisión o para observar desintegraciones muy raras. Sin embargo, la energía de los haces es limitada debido a las pérdidas por radiación sincrotrón . En los colisionadores lineales, las partículas se mueven en línea recta y, por lo tanto, no se ven afectadas por la radiación sincrotrón, pero los haces no se pueden reutilizar, lo que dificulta la recopilación de grandes cantidades de datos.

Como colisionador de leptones circular, el LEP era idóneo para realizar mediciones de precisión de la interacción electrodébil a energías que antes no se podían alcanzar.

La construcción del LEP fue una empresa significativa. Entre 1983 y 1988, fue el mayor proyecto de ingeniería civil de Europa. ^{[ 2 ]}

Cuando el colisionador LEP comenzó a operar en agosto de 1989, aceleró los electrones y positrones a una energía total de 45 GeV cada uno para permitir la producción del bosón Z , que tiene una masa de 91 GeV. ^{[ 2 ]} El acelerador se actualizó posteriormente para permitir la producción de un par de bosones W, cada uno con una masa de 80 GeV. La energía del colisionador LEP finalmente alcanzó un máximo de 209 GeV al final del año 2000. Con un factor de Lorentz ( = energía de la partícula/masa en reposo = [104,5 GeV/0,511 MeV]) de más de 200 000, LEP aún mantiene el récord de velocidad de acelerador de partículas, extremadamente cerca de la velocidad límite de la luz. A finales del año 2000, LEP fue apagado y luego desmantelado para hacer espacio en el túnel para la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).    

El LEP se alimentaba con electrones y positrones suministrados por el complejo acelerador del CERN. Las partículas se generaban y aceleraban inicialmente mediante el preinyector del LEP , y posteriormente se aceleraban hasta casi la velocidad de la luz mediante el sincrotrón de protones y el supersincrotrón de protones . Desde allí, se inyectaban en el anillo del LEP.

Como en todos los colisionadores de anillo , el anillo del LEP constaba de numerosos imanes que obligaban a las partículas cargadas a seguir una trayectoria circular (para que permanecieran dentro del anillo), aceleradores de radiofrecuencia que las aceleraban mediante ondas de radiofrecuencia y cuadrupolos que concentraban el haz de partículas (es decir, las mantenían juntas). La función de los aceleradores era aumentar la energía de las partículas para que se pudieran crear partículas pesadas al colisionar. Cuando las partículas se aceleraban a su máxima energía (y se concentraban en los llamados haces), un haz de electrones y otro de positrones colisionaban entre sí en uno de los puntos de colisión del detector. Al colisionar, un electrón y un positrón se aniquilan en una partícula virtual , ya sea un fotón o un bosón Z. Esta partícula virtual se desintegra casi inmediatamente en otras partículas elementales, que luego son detectadas por enormes detectores de partículas .

El Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) contaba con cuatro detectores, ubicados en cuatro puntos de colisión dentro de salas subterráneas. Cada detector tenía el tamaño de una casa pequeña y era capaz de registrar las partículas según su energía , momento y carga, lo que permitía a los físicos inferir la reacción de partículas ocurrida y las partículas elementales involucradas. Mediante el análisis estadístico de estos datos, se obtiene conocimiento sobre la física de partículas elementales . Los cuatro detectores del LEP se llamaban Aleph, Delphi, Opal y L3. Su diseño era diferente para permitir experimentos complementarios .

Los resultados de los experimentos del LEP permitieron obtener valores precisos de muchas magnitudes del Modelo Estándar —entre las que destacan la masa del bosón Z y del bosón W (descubiertos en 1983 en un colisionador anterior del CERN , el Colisionador Protón-Antiprotón )—, confirmando así el Modelo y fundamentándolo en datos empíricos sólidos.

Cerca del final del tiempo de ejecución previsto, los datos sugirieron indicios tentadores pero no concluyentes de que podría haberse observado la partícula de Higgs con una masa de alrededor de 115 GeV, una especie de Santo Grial de la física de altas energías actual . El tiempo de ejecución se extendió durante algunos meses, sin éxito. La intensidad de la señal se mantuvo en 1,7 desviaciones estándar , lo que se traduce en un nivel de confianza del 91 % , mucho menor que la confianza que los físicos de partículas esperaban para afirmar un descubrimiento, y se encontraba en el límite superior del rango de detección de los experimentos con los datos recopilados del LEP. Se propuso extender la operación del LEP un año más para buscar confirmación, lo que habría retrasado el inicio del LHC . Sin embargo, se decidió cerrar el LEP y continuar con el LHC según lo planeado.

Durante años, esta observación fue el único indicio de un bosón de Higgs; los experimentos posteriores hasta 2010 en el Tevatron no habían sido lo suficientemente sensibles como para confirmar o refutar estos indicios. ^{[ 11 ]} Sin embargo, a partir de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS en el LHC presentaron evidencia de una partícula de Higgs alrededor de 125 GeV, ^{[ 12 ]} y excluyeron fuertemente la región de 115 GeV.

• Aniquilación electrón-positrón
• Gran Colisionador de Hadrones

• Contenido multimedia relacionado con el Gran Colisionador de Electrones y Positrones en Wikimedia Commons.
• Grupos de trabajo LEP
• El colisionador LEP: del diseño a la aprobación y puesta en marcha. Extractos de la conferencia en memoria de John Adams, impartida en el CERN el 26 de noviembre de 1990.
• En este folleto en línea del Consejo Británico de Investigación en Física de Partículas y Astronomía se puede encontrar una descripción general breve pero buena (aunque un poco desactualizada) (con bonitas fotografías) sobre LEP y temas relacionados .
• Registro experimental para LEP en INSPIRE-HEP