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Gran Colisionador de Hadrones

El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ) es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía del mundo . [ 1 ] [ 2 ] Fue construido por la Organización Europea para la ...

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El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ) es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía del mundo . [ 1 ] [ 2 ] Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) entre 1998 y 2008, en colaboración con más de 10 000 científicos y cientos de universidades y laboratorios de más de 100 países. [ 3 ] Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros (17 mi) de circunferencia y hasta 175 metros (574 pies) de profundidad bajo la frontera entre Francia y Suiza, cerca de Ginebra .  

Las primeras colisiones se lograron en 2010 a una energía de 3,5 teraelectronvoltios (TeV) por haz, aproximadamente cuatro veces el récord mundial anterior. [ 4 ] [ 5 ] El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC se anunció en 2012. Entre 2013 y 2015, el LHC se cerró y se actualizó; después de esas actualizaciones alcanzó 6,5 TeV por haz (13,0 TeV de energía total de colisión). [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] A finales de 2018, se cerró para mantenimiento y actualizaciones adicionales, y se reabrió más de tres años después en abril de 2022. [ 10 ]   

El colisionador tiene cuatro puntos de cruce donde colisionan las partículas aceleradas. Nueve detectores , [ 11 ] cada uno diseñado para detectar diferentes fenómenos, están ubicados alrededor de los puntos de cruce. El LHC colisiona principalmente haces de protones, pero también puede acelerar haces de iones pesados , como en colisiones plomo -plomo y protón -plomo. [ 12 ]

El objetivo del LHC es permitir a los físicos probar las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas , incluyendo la medición de las propiedades del bosón de Higgs , [ 13 ] la búsqueda de la gran familia de nuevas partículas predichas por las teorías supersimétricas , [ 14 ] y el estudio de otras cuestiones sin resolver en la física de partículas .

Fondo

El término hadrón se refiere a partículas compuestas subatómicas formadas por quarks unidos por la fuerza fuerte (de forma análoga a como los átomos y las moléculas se mantienen unidos por la fuerza electromagnética ). [ 15 ] Los hadrones más conocidos son los bariones , como los protones y los neutrones ; los hadrones también incluyen mesones como el pión y el kaón , que fueron descubiertos durante experimentos con rayos cósmicos a finales de la década de 1940 y principios de la de 1950. [ 16 ]

Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que reúne dos haces de partículas opuestos para que colisionen. En física de partículas , los colisionadores, aunque más difíciles de construir, son una poderosa herramienta de investigación porque alcanzan una energía en el centro de masa mucho mayor que los sistemas de blancos fijos . [ 1 ] El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico y las leyes de la naturaleza que lo rigen. Muchos de estos subproductos se producen solo por colisiones de alta energía y se desintegran después de períodos de tiempo muy cortos. Por lo tanto, muchos de ellos son difíciles o casi imposibles de estudiar de otras maneras. [ 17 ]

Objetivo

Muchos físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones ayude a responder algunas de las preguntas fundamentales abiertas en física, que conciernen a las leyes básicas que rigen las interacciones y fuerzas entre partículas elementales y la estructura profunda del espacio y el tiempo, en particular la interrelación entre la mecánica cuántica y la relatividad general . [ 18 ]

Estos experimentos con partículas de alta energía pueden proporcionar datos para respaldar diferentes modelos científicos. Por ejemplo, el Modelo Estándar y el modelo sin bosón de Higgs requirieron datos de experimentos con partículas de alta energía para validar sus predicciones y permitir un mayor desarrollo teórico. El Modelo Estándar se completó con la detección del bosón de Higgs por el LHC en 2012. [ 19 ]

Las colisiones del LHC han explorado otras cuestiones, entre ellas: [ 20 ] [ 21 ]

Otras cuestiones abiertas que podrían explorarse mediante colisiones de partículas de alta energía incluyen:

Diseño

El colisionador está contenido en un túnel circular, con una circunferencia de 26,7 kilómetros (16,6 millas) , a una profundidad que oscila entre 50 y 175 metros (164 y 574 pies) bajo tierra. La variación en la profundidad fue deliberada, para reducir la cantidad de túnel que se encuentra bajo las montañas del Jura y evitar así tener que excavar un pozo de acceso vertical en esa zona. Se optó por un túnel para evitar la compra de terrenos costosos en la superficie y para aprovechar el blindaje contra la radiación de fondo que proporciona la corteza terrestre . [ 30 ]  

Mapa del Gran Colisionador de Hadrones del CERN

El túnel revestido de hormigón de 3,8 metros (12 pies) de ancho, construido entre 1983 y 1988, se utilizaba anteriormente para albergar el Gran Colisionador de Electrones y Positrones . [ 31 ] El túnel cruza la frontera entre Suiza y Francia en cuatro puntos, estando la mayor parte en Francia. Los edificios de superficie albergan equipos auxiliares como compresores, equipos de ventilación, electrónica de control y plantas de refrigeración. 

Se utilizan electroimanes cuadrupolares superconductores para dirigir los haces hacia cuatro puntos de intersección, donde tienen lugar las interacciones entre los protones acelerados.
Secciones transversales de los imanes del LHC: a la izquierda se muestra un segmento de imán dipolar y a la derecha, un segmento de imán cuadrupolar.

El túnel del colisionador contiene dos líneas de haz paralelas adyacentes (o conductos de haz ), cada una con un haz, que viajan en direcciones opuestas alrededor del anillo. Los haces se cruzan en cuatro puntos alrededor del anillo, donde tienen lugar las colisiones de partículas. Unos 1232 imanes dipolares mantienen los haces en su trayectoria circular (véase la imagen [ 32 ] ), mientras que otros 392 imanes cuadrupolares se utilizan para mantener los haces enfocados, con imanes cuadrupolares más potentes cerca de los puntos de intersección para maximizar las posibilidades de interacción donde se cruzan los dos haces. Se utilizan imanes de órdenes multipolares superiores para corregir pequeñas imperfecciones en la geometría del campo. En total, se han instalado unos 10 000 imanes superconductores , [ 33 ] y cada uno de los 1232 imanes dipolares tiene una masa de 35 toneladas. [ 34 ] Se necesitan aproximadamente 96 toneladas de helio-4 superfluido para mantener los imanes, hechos de niobio-titanio revestido de cobre , a su temperatura de funcionamiento de 1,9 K (−271,25 °C) , lo que convierte al LHC en la instalación criogénica más grande del mundo a temperatura de helio líquido. El LHC utiliza 470 toneladas de superconductor Nb-Ti. [ 35 ]  

Durante las operaciones del LHC, el sitio del CERN obtiene aproximadamente 200 MW de energía eléctrica de la red eléctrica francesa , lo que, en comparación, es aproximadamente un tercio del consumo de energía de la ciudad de Ginebra ; el acelerador y los detectores del LHC consumen aproximadamente 120 MW de dicha energía. [ 36 ] Cada día de su funcionamiento genera 140 terabytes de datos. [ 37 ] 

Cuando se ejecuta una energía de 6,5 TeV por protón, [ 38 ] una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 6,5 ​​TeV, el campo de los imanes dipolares superconductores aumenta de 0,54 a 7,7 teslas (T) . Cada protón tiene una energía de 6,5 TeV, lo que da una energía de colisión total de 13 TeV. A esta energía, los protones tienen un factor de Lorentz de aproximadamente 6930 y se mueven a aproximadamente 0,999 999 990 c , o aproximadamente 3,1 m/s (11 km/h) más lento que la velocidad de la luz ( c ). Un protón tarda menos de 90 microsegundos (μs) en recorrer 26,7 km alrededor del anillo principal. Esto resulta en 11.245 revoluciones por segundo para los protones, ya sea que las partículas estén a baja o alta energía en el anillo principal, dado que la diferencia de velocidad entre estas energías está más allá del quinto decimal. [ 39 ]         

En lugar de tener haces continuos, los protones se agrupan en hasta 2808 haces , con 115 mil millones de protones en cada uno, de modo que las interacciones entre los dos haces se producen a intervalos discretos, principalmente de 25 nanosegundos (ns) , lo que proporciona una tasa de colisión de haces de 40  MHz. En los primeros años se operó con menos haces. La luminosidad de diseño del LHC es de 10³⁴ cm⁻² s⁻¹ , [ 40 ] que se alcanzó por primera vez en junio de 2016. [ 41 ] Para 2017, se logró el doble de este valor . [ 42 ]

Los protones del LHC provienen del pequeño tanque rojo de hidrógeno.

Antes de ser inyectadas en el acelerador principal, las partículas se preparan mediante una serie de sistemas que aumentan su energía sucesivamente. El primer sistema es el acelerador lineal de partículas Linac4, que genera iones de hidrógeno  negativos (iones H⁻ ) de 160 MeV , los cuales alimentan el acelerador de sincrotrón de protones (PSB). Allí, ambos electrones se separan de los iones de hidrógeno, dejando solo el núcleo, que es un protón . Estos protones se aceleran a 2 GeV y se inyectan en el sincrotrón de protones (PS), donde se aceleran a 26 GeV. Finalmente, el supersincrotrón de protones (SPS) se utiliza para aumentar aún más su energía a 450 GeV antes de que finalmente se inyecten (durante un período de varios minutos) en el anillo principal. Aquí, los haces de protones se acumulan, se aceleran (durante un período de 20 minutos ) hasta su energía máxima y finalmente circulan durante 5 a 24 horas mientras ocurren colisiones en los cuatro puntos de intersección. [ 43 ]   

El programa de física del LHC se basa principalmente en colisiones protón-protón. Sin embargo, durante períodos de funcionamiento más cortos, típicamente un mes al año, se incluyen colisiones de iones pesados ​​en el programa. Si bien también se consideran iones más ligeros, el esquema base se centra en iones de plomo [ 44 ] (véase A Large Ion Collider Experiment ). Los iones de plomo se aceleran primero mediante el acelerador lineal LINAC 3 , y el anillo de iones de baja energía (LEIR) se utiliza como unidad de almacenamiento y refrigeración de iones . Posteriormente, los iones se aceleran aún más mediante el PS y el SPS antes de ser inyectados en el anillo del LHC, donde alcanzan una energía de 2,3  TeV por nucleón (o 522  TeV por ion), [ 45 ] superior a las energías alcanzadas por el Colisionador Relativista de Iones Pesados . El objetivo del programa de iones pesados ​​es investigar el plasma de quarks y gluones , que existió en el universo primitivo . [ 46 ]

Detectores

Se han construido nueve detectores en grandes cavernas excavadas en los puntos de intersección del LHC. Dos de ellos, el experimento ATLAS y el Solenoide Compacto de Muones (CMS), son grandes detectores de partículas de propósito general . [ 2 ] ALICE y LHCb tienen funciones más especializadas, mientras que los otros cinco — TOTEM , MoEDAL , LHCf , SND y FASER — son mucho más pequeños y se utilizan para investigación muy especializada. Los experimentos ATLAS y CMS descubrieron el bosón de Higgs, lo que constituye una fuerte evidencia de que el Modelo Estándar tiene el mecanismo correcto para dar masa a las partículas elementales. [ 47 ]

Detector CMS para LHC

Instalaciones de computación y análisis

Los datos producidos por el LHC, así como las simulaciones relacionadas con el LHC, se estimaron en 200 petabytes por año. [ 48 ]

La Red de Computación del LHC [ 49 ] se construyó como parte del diseño del LHC para manejar las grandes cantidades de datos esperadas para sus colisiones. Es un proyecto de colaboración internacional que consiste en una infraestructura de red informática basada en cuadrícula que inicialmente conecta 140 centros de computación en 35 países (más de 170 en más de 40 países a partir de 2012).). Fue diseñado por el CERN para manejar el importante volumen de datos producidos por los experimentos del LHC, [ 50 ] incorporando tanto enlaces privados de cable de fibra óptica como segmentos existentes de alta velocidad de Internet público para permitir la transferencia de datos del CERN a instituciones académicas de todo el mundo. La Red de Computación del LHC consta de federaciones globales en Europa, Asia Pacífico y América. [ 48 ]

El proyecto de computación distribuida LHC@home se inició para apoyar la construcción y calibración del LHC. El proyecto utiliza la plataforma BOINC , lo que permite a cualquier persona con conexión a Internet y un ordenador con Mac OS X , Windows o Linux usar el tiempo de inactividad de su ordenador para simular cómo viajarán las partículas en los tubos de haz. Con esta información, los científicos pueden determinar cómo deben calibrarse los imanes para obtener la "órbita" más estable de los haces en el anillo. [ 51 ] En agosto de 2011, se puso en marcha una segunda aplicación (Test4Theory) que realiza simulaciones con las que comparar datos de prueba reales, para determinar los niveles de confianza de los resultados.

Para 2012, datos de más de 6 cuatrillones (Se habían analizado 6 × 10 15 ) colisiones protón-protón del LHC. [ 52 ] La red informática del LHC se convirtió en la red informática más grande del mundo en 2012, que comprende más de 170 instalaciones informáticas en una red mundial que abarca más de 40 países. [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ]

Historial operativo

Lyn Evans , la líder del proyecto del Gran Colisionador de Hadrones.

El LHC entró en funcionamiento por primera vez el 10 de septiembre de 2008, [ 56 ] pero las pruebas iniciales se retrasaron 14 meses, del 19 de septiembre de 2008 al 20 de noviembre de 2009, tras un incidente de extinción de imanes que causó daños extensos a más de 50 imanes superconductores , sus soportes y el tubo de vacío . [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ]

Durante su primera ejecución (2010-2013), el LHC colisionó dos haces de partículas opuestas de protones a hasta 4 teraelectronvoltios (4 TeV o 0,64 microjulios ) o núcleos de plomo (574 TeV por núcleo o 2,76 TeV por nucleón ). [ 61 ] [ 62 ] Entre los descubrimientos de su primera ejecución se incluyeron el largamente buscado bosón de Higgs, varias partículas compuestas ( hadrones ) como el estado de bottomonio χ b (3P) , la primera creación de un plasma de quarks y gluones, y las primeras observaciones de la muy rara desintegración del mesón B s en dos muones (B s 0 → μ + μ − ), lo que puso en entredicho la validez de los modelos existentes de supersimetría . [ 63 ]   

Construcción

Desafíos operativos

El tamaño del LHC constituye un desafío de ingeniería excepcional con problemas operativos únicos debido a la cantidad de energía almacenada en los imanes y los haces. [ 43 ] [ 64 ] Durante su funcionamiento, la energía total almacenada en los imanes es de 10 GJ (2400 kilogramos de TNT) y la energía total transportada por los dos haces alcanza los 724 MJ (173 kilogramos de TNT) . [ 65 ]  

La pérdida de tan solo una diezmillonésima parte (10⁻⁷ ) del haz es suficiente para apagar un imán superconductor, mientras que cada uno de los dos absorbedores de haz debe absorber 362 MJ (87 kilogramos de TNT) . Estas energías son transportadas por muy poca materia: en condiciones nominales de funcionamiento (2808 paquetes por haz, 1,15 × 10¹¹ protones por paquete), los tubos de haz contienen 1,0 × 10⁻⁹ gramos de hidrógeno, que, en condiciones estándar de temperatura y presión , llenaría el volumen de un grano de arena fina. 

Costo

Con un presupuesto de 7.500 millones de euros  (unos 9.000 millones de dólares o 6.190 millones de libras esterlinas a junio de 2010) ), el LHC es uno de los instrumentos científicos más caros [ 1 ] jamás construidos. [ 66 ] Se espera que el costo total del proyecto sea de aproximadamente 4.6 mil millones de francos suizos (SFr) (alrededor de $4.4 mil millones, €3.1 mil millones o £2.8 mil millones a enero de 2010 ) para el acelerador y 1.160 millones (SFr) (aproximadamente 1.100 millones de dólares, 800 millones de euros o 700 millones de libras esterlinas a enero de 2010) ) por la contribución del CERN a los experimentos. [ 67 ]

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2.600 millones de francos suizos, con otros 210 millones para los experimentos. Sin embargo, los sobrecostos, estimados en una revisión importante en 2001 en alrededor de 480 millones de francos suizos para el acelerador y 50 millones para los experimentos, junto con una reducción en el presupuesto del CERN, retrasaron la fecha de finalización de 2005 a abril de 2007. [ 68 ] Los imanes superconductores fueron responsables de 180 millones de francos suizos del aumento de costos. También hubo costos y retrasos adicionales debido a dificultades de ingeniería encontradas durante la construcción de la caverna para el Solenoide Compacto de Muones , [ 69 ] a soportes de imanes que no estaban diseñados con la resistencia suficiente y fallaron en sus pruebas iniciales (2007), y a daños por una extinción de imán y escape de helio líquido (pruebas inaugurales, 2008). [ 70 ] Debido a que los costos de electricidad son más bajos durante el verano, el LHC normalmente no funciona durante los meses de invierno, [ 71 ] aunque se hicieron excepciones durante los inviernos de 2009/10 y 2012/2013 para compensar los retrasos en la puesta en marcha de 2008 y para mejorar la precisión de las mediciones de la nueva partícula descubierta en 2012, respectivamente.

Accidentes y retrasos en la construcción

  • El 25 de octubre de 2005, José Pereira Lages, un técnico, murió en el LHC cuando un interruptor que estaba siendo transportado cayó sobre él. [ 72 ]
  • El 27 de marzo de 2007, un soporte de imán criogénico diseñado y suministrado por Fermilab y KEK se rompió durante una prueba de presión inicial que involucraba uno de los conjuntos de imanes triplete internos (cuadrupolo de enfoque) del LHC. Nadie resultó herido. El director de Fermilab, Pier Oddone, declaró: "En este caso, estamos estupefactos de haber pasado por alto un equilibrio de fuerzas muy simple". El fallo había estado presente en el diseño original y persistió durante cuatro revisiones de ingeniería en los años siguientes. [ 73 ] El análisis reveló que su diseño, hecho lo más delgado posible para un mejor aislamiento, no era lo suficientemente fuerte como para soportar las fuerzas generadas durante la prueba de presión. Los detalles están disponibles en una declaración de Fermilab, con la que el CERN está de acuerdo. [ 74 ] [ 75 ] La reparación del imán roto y el refuerzo de los ocho conjuntos idénticos utilizados por el LHC retrasaron la fecha de puesta en marcha, entonces prevista para noviembre de 2007.
  • El 19 de septiembre de 2008, durante las pruebas iniciales, una conexión eléctrica defectuosa provocó una pérdida repentina de la superconductividad de un imán (debido al calentamiento o a los efectos del campo eléctrico ). Se escaparon seis toneladas de helio líquido superenfriado —utilizado para enfriar los imanes— con la fuerza suficiente para desprender imanes de 10 toneladas cercanos de sus soportes y causar daños considerables y contaminación del tubo de vacío. Las reparaciones y las comprobaciones de seguridad provocaron un retraso de aproximadamente 14 meses. [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ]
  • En julio de 2009 se encontraron dos fugas de vacío, y el inicio de las operaciones se pospuso nuevamente hasta mediados de noviembre de 2009. [ 79 ]

Exclusión de Rusia

Con la invasión rusa de Ucrania en 2022 , la participación de rusos en el CERN fue cuestionada. Alrededor del 8% de la plantilla es de nacionalidad rusa. En junio de 2022, el CERN declaró que el consejo de gobierno "tiene la intención de rescindir" los acuerdos de cooperación del CERN con Bielorrusia y Rusia cuando expiren, respectivamente, en junio y diciembre de 2024. El CERN afirmó que supervisaría la situación en Ucrania y que seguía dispuesto a tomar medidas adicionales según fuera necesario. [ 80 ] [ 81 ] El CERN también anunció que reduciría la contribución ucraniana al CERN para 2022 al importe ya remitido a la Organización, renunciando así al segundo pago de la contribución. [ 82 ]

Corrientes magnéticas iniciales más bajas

En sus dos ejecuciones (2010 a 2012 y 2015), el LHC se ejecutó inicialmente a energías inferiores a su energía operativa planificada, y se incrementó a solo 2 x 4  TeV en su primera ejecución y 2 x 6,5  TeV en su segunda ejecución, por debajo de la energía de diseño de 2 x 7  TeV. Esto se debe a que los imanes superconductores masivos requieren un entrenamiento considerable para manejar las altas corrientes involucradas sin perder su capacidad superconductora , y las altas corrientes son necesarias para permitir una alta energía de protones. El proceso de "entrenamiento" implica hacer funcionar repetidamente los imanes con corrientes más bajas para provocar cualquier quenching o movimiento mínimo que pueda resultar. También se necesita tiempo para enfriar los imanes a su temperatura operativa de alrededor de 1,9 K (cerca del cero absoluto ). Con el tiempo, el imán se "asienta" y deja de quebrar a estas corrientes más bajas y puede manejar la corriente de diseño completa sin quebrar; Los medios del CERN describen cómo los imanes "sacuden" las inevitables imperfecciones de fabricación en sus cristales y posiciones que inicialmente habían afectado su capacidad para manejar las corrientes previstas. Con el tiempo y el entrenamiento, los imanes gradualmente logran manejar las corrientes previstas completas sin sufrir extinción. [ 83 ] [ 84 ]

Pruebas inaugurales (2008)

El primer haz se hizo circular a través del colisionador en la mañana del 10 de septiembre de 2008. [ 85 ] El CERN disparó con éxito los protones alrededor del túnel en etapas, tres kilómetros a la vez. Las partículas se dispararon en sentido horario hacia el acelerador y se dirigieron con éxito a su alrededor a las 10:28 hora local. [ 56 ] El LHC completó con éxito su prueba principal: después de una serie de ensayos, dos puntos blancos parpadearon en una pantalla de ordenador mostrando que los protones habían recorrido toda la longitud del colisionador. Se tardó menos de una hora en guiar el flujo de partículas a través de su circuito inaugural. [ 86 ] A continuación, el CERN envió con éxito un haz de protones en sentido antihorario, tardando un poco más, una hora y media, debido a un problema con la criogenia , y el circuito completo se completó a las 14:59.

Incidente de extinción

El 19 de septiembre de 2008, se produjo una pérdida de magnetismo en aproximadamente 100 imanes de curvatura en los sectores 3 y 4, donde una falla eléctrica liberó unas seis toneladas de helio líquido (el refrigerante criogénico de los imanes ) en el túnel. El vapor que escapó se expandió con fuerza explosiva, dañando 53 imanes superconductores y sus soportes, y contaminando la tubería de vacío, que también perdió las condiciones de vacío. [ 57 ] [ 58 ] [ 87 ]

Poco después de este incidente, el CERN informó que la causa más probable del problema fue una conexión eléctrica defectuosa entre dos imanes. Estimó que las reparaciones tardarían al menos dos meses, debido al tiempo necesario para calentar los sectores afectados y luego enfriarlos hasta la temperatura de funcionamiento. [ 88 ] El CERN publicó un informe técnico provisional [ 87 ] y un análisis preliminar del incidente el 15 y 16  de octubre de 2008 respectivamente, [ 89 ] y un informe más detallado el 5  de diciembre de 2008. [ 77 ] El análisis del incidente realizado por el CERN confirmó que, efectivamente, una falla eléctrica había sido la causa. La conexión eléctrica defectuosa había llevado (correctamente) a una interrupción de seguridad de la alimentación de los sistemas eléctricos que alimentaban los imanes superconductores, pero también había causado un arco eléctrico (o descarga) que dañó la integridad de la carcasa del helio superenfriado y el aislamiento al vacío, lo que provocó que la temperatura y la presión del refrigerante aumentaran rápidamente más allá de la capacidad de los sistemas de seguridad para contenerlo, [ 87 ] y llevando a un aumento de temperatura de aproximadamente 100 grados Celsius en algunos de los imanes afectados. La energía almacenada en los imanes superconductores y el ruido eléctrico inducido en otros detectores de extinción también jugaron un papel en el rápido calentamiento. Alrededor de dos toneladas de helio líquido escaparon explosivamente antes de que los detectores activaran una parada de emergencia, y otras cuatro toneladas se filtraron a menor presión posteriormente. [ 87 ] Un total de 53 imanes resultaron dañados en el incidente y fueron reparados o reemplazados durante la parada de invierno. [ 90 ] Este accidente fue analizado exhaustivamente en un artículo de Superconductor Science and Technology  del 22 de febrero de 2010, escrito por el físico del CERN Lucio Rossi . [ 91 ]

En el cronograma original para la puesta en marcha del LHC, se esperaba que las primeras colisiones de alta energía "modestas" a una energía en el centro de masa de 900  GeV tuvieran lugar antes de finales de septiembre de 2008, y que el LHC estuviera operando a 10  TeV para finales de 2008. [ 92 ] Sin embargo, debido al retraso causado por el incidente, el colisionador no estuvo operativo hasta noviembre de 2009. [ 93 ] A pesar del retraso, el LHC fue inaugurado oficialmente el 21  de octubre de 2008, en presencia de líderes políticos, ministros de ciencia de los 20 Estados miembros del CERN, funcionarios del CERN y miembros de la comunidad científica mundial. [ 94 ]

La mayor parte de 2009 se dedicó a reparaciones y revisiones de los daños causados ​​por el incidente de enfriamiento, junto con dos fugas de vacío adicionales identificadas en julio de 2009; esto retrasó el inicio de las operaciones hasta noviembre de ese año. [ 79 ]

Ciclo 1: primera fase operativa (2009-2013)

Seminario sobre la física del LHC por John Iliopoulos (2009) [ 95 ]

El 20 de noviembre de 2009, los haces de baja energía circularon por el túnel por primera vez desde el incidente, y poco después, el 30 de noviembre, el LHC alcanzó 1,18  TeV por haz para convertirse en el acelerador de partículas de mayor energía del mundo, superando el récord anterior del Tevatron  de 0,98 TeV por haz, mantenido durante ocho años. [ 96 ]

A principios de 2010 se observó un continuo aumento en las energías de los haces y en los primeros experimentos de física hacia 3,5  TeV por haz, y el 30 de marzo de 2010, el LHC estableció un nuevo récord de colisiones de alta energía al colisionar haces de protones a un nivel de energía combinado de 7  TeV. El intento fue el tercero de ese día, después de dos intentos fallidos en los que los protones tuvieron que ser "desechados" del colisionador e inyectados nuevos haces. [ 97 ] Esto también marcó el inicio del programa principal de investigación.

La primera ejecución con protones finalizó el 4 de noviembre de 2010. Una ejecución con iones de plomo comenzó el 8 de noviembre de 2010 y finalizó el 6 de diciembre de 2010, [ 98 ] lo que permitió al experimento ALICE estudiar la materia en condiciones extremas similares a las que existían poco después del Big Bang. [ 99 ]

El CERN planeó originalmente que el LHC funcionaría hasta finales de 2012, con una breve pausa a finales de 2011 para permitir un aumento en la energía del haz de 3,5 a 4  TeV por haz. [ 5 ] A finales de 2012, se planeó que el LHC se cerrara temporalmente hasta alrededor de 2015 para permitir la actualización a una energía de haz planificada de 7  TeV por haz. [ 100 ] A finales de 2012, a la luz del descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012, el cierre se pospuso algunas semanas hasta principios de 2013, para permitir que se obtuvieran datos adicionales antes del cierre.

Primer cierre prolongado (2013-2015)

Una sección del túnel del LHC. Los imanes dipolares están pintados de azul para protegerlos de la oxidación. [ 101 ]

El LHC se cerró el 13 de febrero de 2013 para su actualización de dos años llamada Cierre Largo 1 (LS1), que iba a abarcar muchos aspectos del LHC: habilitar colisiones a 14  TeV, mejorar sus detectores y preaceleradores (el Sincrotrón de Protones y el Super Sincrotrón de Protones), así como reemplazar su sistema de ventilación y 100 km (62 mi) de cableado dañado por colisiones de alta energía de su primera ejecución. [ 102 ] El colisionador actualizado comenzó su largo proceso de arranque y prueba en junio de 2014, con el Proton Synchrotron Booster comenzando el 2 de junio de 2014, la interconexión final entre imanes completada y el Sincrotrón de Protones circulando partículas el 18 de junio de 2014, y la primera sección del sistema de superimán principal del LHC alcanzando la temperatura de funcionamiento de 1,9 K (−271,25 °C) unos días después. [ 103 ] Debido al lento progreso en el "entrenamiento" de los imanes superconductores, se decidió comenzar la segunda ejecución con una energía menor de 6,5 TeV por haz, correspondiente a una corriente en el imán de 11 000 amperios . Se informó que el primero de los imanes principales del LHC había sido entrenado con éxito el 9 de diciembre de 2014, mientras que el entrenamiento de los demás sectores de imanes finalizó en marzo de 2015. [ 104 ]      

Fase 2: segunda fase operativa (2015-2018)

El 5 de abril de 2015, el LHC reinició después de una pausa de dos años, durante la cual se actualizaron los conectores eléctricos entre los imanes de curvatura para manejar de forma segura la corriente requerida para 7  TeV por haz (14  TeV de energía de colisión). [ 6 ] [ 105 ] Sin embargo, los imanes de curvatura solo se entrenaron para manejar hasta 6,5  ​​TeV por haz (13  TeV de energía de colisión), que se convirtió en la energía operativa para 2015 a 2018. [ 83 ] La energía se alcanzó por primera vez el 10 de abril de 2015. [ 106 ] Las actualizaciones culminaron en la colisión de protones con una energía combinada de 13  TeV. [ 107 ] El 3 de junio de 2015, el LHC comenzó a entregar datos de física después de casi dos años fuera de servicio. [ 108 ] En los meses siguientes, se utilizó para colisiones protón-protón, mientras que en noviembre, la máquina cambió a colisiones de iones de plomo y en diciembre, comenzó el habitual cierre de invierno.

En 2016, los operadores de la máquina se centraron en aumentar la luminosidad para las colisiones protón-protón. El valor de diseño se alcanzó por primera vez el 29  de junio, [ 41 ] y mejoras posteriores aumentaron la tasa de colisión a un 40 % por encima del valor de diseño. [ 109 ] El número total de colisiones en 2016 superó el número de la Ejecución 1, con una energía por colisión mayor. La ejecución de protones-protones fue seguida por cuatro semanas de colisiones protón-plomo. [ 110 ]

En 2017, la luminosidad aumentó aún más y alcanzó el doble del valor de diseño. El número total de colisiones también fue mayor que en 2016. [ 42 ]

La ejecución de física de 2018 comenzó el 17  de abril y terminó el 3  de diciembre, incluyendo cuatro semanas de colisiones plomo-plomo. [ 111 ]

Segundo cierre prolongado (2018-2022)

El segundo periodo de parada prolongada (LS2) comenzó el 10 de diciembre de 2018. Durante este periodo, se realizó mantenimiento y modernización del LHC y de todo el complejo de aceleradores del CERN. El objetivo de estas mejoras era implementar el proyecto del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC), que multiplicará la luminosidad por diez. El LS2 finalizó en abril de 2022. El tercer periodo de parada prolongada (LS3) tendrá lugar en la década de 2020, antes de que concluya el proyecto HL-LHC.

Ejecución 3: tercera fase operativa (2022)

El LHC volvió a estar operativo el 22 de abril de 2022 con una nueva energía máxima del haz de 6,8  TeV (  energía de colisión de 13,6 TeV), que se alcanzó por primera vez el 25  de abril. [ 112 ] [ 113 ] Comenzó oficialmente su temporada de física Run 3 el 5  de julio de 2022. [ 114 ] Se espera que esta ronda continúe hasta 2026. [ 115 ] Además de una energía más alta, se espera que el LHC alcance una mayor luminosidad, que se espera que aumente aún más con la actualización al HL-LHC después de Run 3. [ 116 ]

Tercer cierre prolongado (2026-2030)

El cierre prolongado 3 (LS3) comenzó en junio de 2026. [ 117 ] El LS3 marcará la intervención más importante desde la construcción del LHC. Esto implica la consolidación del área norte del Super Sincrotrón de Protones (SPS), el desmantelamiento del área objetivo de Neutrinos a Gran Sasso (CNGS) del CERN, la transformación de la Caverna Experimental Norte 3 (ECN3) en una instalación de objetivo fijo de alta intensidad, la renovación de la instalación ISOLDE y varios otros trabajos relacionados con la consolidación, instalación, mantenimiento y actualizaciones. [ 118 ] El acelerador se reiniciará gradualmente a partir de 2028 para que el HL-LHC esté operativo en la década de 2030. [ 119 ]

Cronograma de operaciones

Hallazgos y descubrimientos

Todos los hadrones nuevos observados en el LHC desde 2012. Los marcadores huecos indican hadrones reemplazados o no significativos.

Un enfoque inicial de la investigación fue investigar la posible existencia del bosón de Higgs , una parte clave del Modelo Estándar de la física que fue predicha por la teoría, pero que aún no se había observado debido a su gran masa y naturaleza esquiva. Los científicos del CERN estimaron que, si el Modelo Estándar era correcto, el LHC produciría varios bosones de Higgs por minuto, lo que permitiría a los físicos confirmar o refutar finalmente su existencia. Además, el LHC permitió la búsqueda de partículas supersimétricas y otras partículas hipotéticas como posibles áreas desconocidas de la física. [ 61 ] Algunas extensiones del Modelo Estándar predicen partículas adicionales, como los bosones de gauge pesados ​​W' y Z' , que también se estima que están al alcance del LHC para su descubrimiento. [ 143 ]

Primera ejecución (datos recopilados entre 2009 y 2013)

Los primeros resultados físicos del LHC, que involucran 284 colisiones que tuvieron lugar en el detector ALICE, se informaron el 15  de diciembre de 2009. [ 121 ] Los resultados de las primeras colisiones protón-protón a energías más altas que las colisiones protón-antiprotón del Tevatron de Fermilab fueron publicados por la colaboración CMS a principios de febrero de 2010, lo que produjo una producción de hadrones cargados mayor de lo previsto. [ 144 ]

Después del primer año de recolección de datos, las colaboraciones experimentales del LHC comenzaron a publicar sus resultados preliminares sobre la búsqueda de nueva física más allá del Modelo Estándar en colisiones protón-protón. [ 145 ] [ 146 ] [ 147 ] [ 148 ] No se detectó evidencia de nuevas partículas en los datos de 2010. Como resultado, se establecieron límites en el espacio de parámetros permitido de varias extensiones del Modelo Estándar, como modelos con grandes dimensiones extra , versiones restringidas del Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo y otros. [ 149 ] [ 150 ] [ 151 ]

El 24 de mayo de 2011, se informó que se había creado plasma de quarks y gluones (la materia más densa que se cree que existe además de los agujeros negros ) en el LHC. [ 124 ]

Diagrama de Feynman que muestra una posible forma de producir el bosón de Higgs en el LHC. En este caso, dos quarks emiten cada uno un bosón W o Z , que se combinan para formar un bosón de Higgs neutro.

Entre julio y agosto de 2011, los resultados de las búsquedas del bosón de Higgs y de partículas exóticas, basados ​​en los datos recopilados durante la primera mitad de la ejecución de 2011, se presentaron en conferencias en Grenoble [ 152 ] y Bombay. [ 153 ] En esta última conferencia, se informó que, a pesar de los indicios de una señal de Higgs en datos anteriores, ATLAS y CMS excluyen con un nivel de confianza del 95 % (utilizando el método CLs ) la existencia de un bosón de Higgs con las propiedades predichas por el Modelo Estándar en la mayor parte de la región de masas entre 145 y 466  GeV. [ 154 ] Las búsquedas de nuevas partículas tampoco arrojaron señales, lo que permitió restringir aún más el espacio de parámetros de varias extensiones del Modelo Estándar, incluidas sus extensiones supersimétricas. [ 155 ] [ 156 ]

El 13 de diciembre de 2011, el CERN informó que el bosón de Higgs del Modelo Estándar, de existir, probablemente tendría una masa comprendida entre 115 y 130  GeV. Tanto el detector CMS como el ATLAS también han mostrado picos de intensidad en el rango de 124 a 125  GeV, lo que concuerda con el ruido de fondo o con la observación del bosón de Higgs. [ 157 ]

El 22 de diciembre de 2011, se informó que se había observado una nueva partícula compuesta, el estado bottomonio χ b (3P). [ 127 ]

El 4 de julio de 2012, los equipos de CMS y ATLAS anunciaron el descubrimiento de un bosón en la región de masa de alrededor de 125–126  GeV, con una significancia estadística de 5 sigma cada uno. Esto cumple con el nivel formal requerido para anunciar una nueva partícula. Las propiedades observadas eran consistentes con el bosón de Higgs, pero los científicos se mostraron cautelosos respecto a si se identificaba formalmente como tal, a la espera de análisis adicionales. [ 158 ] El 14 de marzo de 2013, el CERN anunció la confirmación de que la partícula observada era, en efecto, el bosón de Higgs predicho. [ 159 ]

Datos simulados del detector de partículas CMS del Gran Colisionador de Hadrones que muestran un bosón de Higgs producido por la colisión de protones que se desintegran en chorros de hadrones y electrones.

El 8 de noviembre de 2012, el equipo LHCb informó sobre un experimento considerado como una prueba "dorada" de las teorías de supersimetría en física, [ 130 ] midiendo la desintegración muy rara delBs{\displaystyle B_{s}}mesón en dos muones (Bs0→μ+μ−{\displaystyle B_{s}^{0}\rightarrow \mu ^{+}\mu ^{-}}Los resultados, que coinciden con los predichos por el Modelo Estándar no supersimétrico en lugar de las predicciones de muchas ramas de la supersimetría, muestran que las desintegraciones son menos comunes de lo que predicen algunas formas de supersimetría, aunque aún podrían coincidir con las predicciones de otras versiones de la teoría de la supersimetría. Se afirma que los resultados, tal como se redactaron inicialmente, carecen de prueba, pero tienen un nivel de significancia relativamente alto de 3,5 sigma. [ 160 ] El resultado fue confirmado posteriormente por la colaboración CMS. [ 161 ]

En agosto de 2013, el equipo del LHCb reveló una anomalía en la distribución angular de los productos de desintegración del mesón B que no podía predecirse mediante el Modelo Estándar; esta anomalía tenía una certeza estadística de 4,5 sigma, ligeramente inferior a las 5 sigma necesarias para ser reconocida oficialmente como un descubrimiento. Se desconoce la causa de esta anomalía, aunque se ha sugerido el bosón Z' como posible candidato. [ 162 ]

El 19 de noviembre de 2014, el experimento LHCb anunció el descubrimiento de dos nuevas partículas subatómicas pesadas, Ξ ′ − b y Ξ ∗ − b . Ambas son bariones compuestos por un quark bottom, un quark down y un quark strange. Son estados excitados del barión bottom Xi . [ 163 ] [ 164 ]

La colaboración LHCb ha observado múltiples hadrones exóticos, posiblemente pentaquarks o tetraquarks , en los datos de la primera ejecución. El 4 de abril de 2014, la colaboración confirmó la existencia del candidato a tetraquark Z(4430) con una significancia de más de 13,9 sigma. [ 165 ] [ 166 ] El 13 de julio de 2015, se informaron  resultados consistentes con estados de pentaquark en la desintegración de bariones Lambda bottom (Λ 0 b ). [ 167 ] [ 168 ] [ 169 ]

El 28 de junio de 2016, la colaboración anunció cuatro partículas tipo tetraquark que se desintegran en un mesón J/ψ y un mesón φ, de las cuales solo una estaba bien establecida antes (X(4274), X(4500) y X(4700) y X(4140) ). [ 170 ] [ 171 ]

En diciembre de 2016, ATLAS presentó una medición de la masa del bosón W, investigando la precisión de los análisis realizados en el Tevatron. [ 172 ]

Segunda etapa (2015–2018)

En la conferencia EPS-HEP 2015, celebrada en julio, las colaboraciones presentaron las primeras mediciones de la sección transversal de varias partículas a una energía de colisión más alta.

El 15 de diciembre de 2015, los experimentos ATLAS y CMS informaron una serie de resultados preliminares para la física del bosón de Higgs, búsquedas de supersimetría (SUSY) y búsquedas de partículas exóticas utilizando  datos de colisiones de protones de 13 TeV. Ambos experimentos observaron un exceso moderado alrededor de 750 GeV en el espectro de masa invariante  de dos fotones , [ 173 ] [ 174 ] [ 175 ] pero los experimentos no confirmaron la existencia de la partícula hipotética en un informe de agosto de 2016. [ 176 ] [ 177 ] [ 178 ]

En julio de 2017, se mostraron numerosos análisis basados ​​en el amplio conjunto de datos recopilado en 2016. Se estudiaron con mayor detalle las propiedades del bosón de Higgs y se mejoró la precisión de muchos otros resultados. [ 179 ]

Para marzo de 2021, los experimentos del LHC habían descubierto 59 nuevos hadrones en los datos recopilados durante las dos primeras ejecuciones. [ 180 ]

Tercera etapa (2022 – actualidad)

La tercera fase del LHC comenzó en julio de 2022, después de más de tres años de actualizaciones, y está previsto que dure hasta julio de 2026. [ 181 ] [ 182 ]

El 5 de julio de 2022, LHCb informó del descubrimiento de un nuevo tipo de pentaquark compuesto por un quark encanto, un antiquark encanto, un quark arriba, un quark abajo y un quark extraño, observado en un análisis de desintegraciones de mesones B cargados. [ 183 ] [ 184 ] También se informó del primer par de tetraquarks . [ 183 ]

El 18 de septiembre de 2024, ATLAS informó de la primera observación de entrelazamiento cuántico entre quarks , siendo también la observación de entrelazamiento de mayor energía hasta la fecha. [ 185 ] [ 186 ]

Hasta febrero de 2026, se han descubierto 79 nuevos hadrones en los datos recopilados durante las tres primeras ejecuciones. [ 187 ]

Planes futuros

Actualización de "alta luminosidad"

Tras varios años de funcionamiento, cualquier experimento de física de partículas suele empezar a sufrir rendimientos decrecientes : a medida que se van completando los resultados clave que puede obtener el dispositivo, los últimos años de operación descubren proporcionalmente menos que los primeros. Una respuesta común es actualizar los dispositivos implicados, normalmente en cuanto a energía de colisión, luminosidad o detectores mejorados. Además de un posible aumento a 14  TeV de energía de colisión, en junio de 2018 se inició una mejora de la luminosidad del LHC, denominada Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad, que impulsará el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física a partir de 2030. [ 188 ] La mejora tiene como objetivo aumentar la luminosidad de la máquina en un factor de 10, hasta 10 35  cm −2 s −1 , lo que proporciona una mayor probabilidad de observar procesos raros y mejora las mediciones estadísticamente marginales. [ 116 ]

Colisionador circular futuro propuesto

El CERN cuenta con varios diseños preliminares para un Futuro Colisionador Circular (FCC), que sería el acelerador de partículas más potente jamás construido, con diferentes tipos de colisionadores cuyos costes oscilan entre los 9.000 millones de euros  (10.200 millones de dólares  ) y los 21.000  millones de euros. Utilizaría el anillo del LHC como preacelerador, de forma similar a como el LHC utiliza el Super Sincrotrón de Protones, de menor tamaño. Se trata de la propuesta inicial del CERN en un proceso de priorización denominado Estrategia Europea para la Actualización de la Física de Partículas, y tendrá un impacto significativo en el futuro de este campo hasta bien entrada la segunda mitad del siglo. A fecha de 2023, no existe un plan definitivo y se desconoce si se financiará su construcción. [ 189 ]

Seguridad en colisiones de partículas

Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones suscitaron temores de que las colisiones de partículas pudieran producir fenómenos apocalípticos, como la producción de agujeros negros microscópicos estables o la creación de partículas hipotéticas llamadas strangelets . [ 190 ] Dos revisiones de seguridad encargadas por el CERN examinaron estas preocupaciones y concluyeron que los experimentos en el LHC no presentan peligro alguno y que no hay motivo de preocupación, [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ] una conclusión respaldada por la Sociedad Estadounidense de Física . [ 194 ]

Los informes también señalaron que las condiciones físicas y los eventos de colisión que existen en el LHC y experimentos similares ocurren de forma natural y rutinaria en el universo sin consecuencias peligrosas, [ 192 ] incluyendo rayos cósmicos de ultra alta energía que se observan impactando la Tierra con energías mucho mayores que las de cualquier colisionador hecho por el hombre, como la partícula Oh-My-God que tenía 320 millones de TeV de energía y una energía de colisión decenas de veces mayor que las colisiones más energéticas producidas en el LHC.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha captado una considerable atención fuera de la comunidad científica y su progreso es seguido de cerca por la mayoría de los medios de divulgación científica. El LHC también ha inspirado obras de ficción, incluyendo novelas, series de televisión, videojuegos y películas.

El "Large Hadron Rap" de Katherine McAlpine , empleada del CERN [ 195 ], superó los 8  millones de visualizaciones en YouTube en 2022. [ 196 ] [ 197 ]

La banda Les Horribles Cernettes fue fundada por mujeres del CERN. El nombre fue elegido para tener las mismas iniciales que el LHC. [ 198 ] [ 199 ]

El episodio 6 de la segunda temporada (2010) de la serie World's Toughest Fixes de National Geographic Channel , titulado "Atom Smasher", muestra la sustitución de la última sección del imán superconductor en la reparación del colisionador tras el incidente de extinción de 2008. El episodio incluye imágenes reales desde las instalaciones de reparación hasta el interior del colisionador, así como explicaciones sobre el funcionamiento, la ingeniería y el propósito del LHC. [ 200 ]

La canción "Munich" del álbum de estudio de 2012, Scars & Stories, de The Fray, está inspirada en el Gran Colisionador de Hadrones. El vocalista Isaac Slade dijo en una entrevista: "Hay un gran colisionador de partículas en Suiza que está ayudando a los científicos a desvelar los misterios de la gravedad y la masa. Se están planteando preguntas muy importantes, incluso algunas ideas propuestas por Einstein, que se habían aceptado durante décadas, están empezando a ser cuestionadas. Buscan la partícula de Dios, básicamente, la partícula que lo mantiene todo unido. Esa canción trata precisamente del misterio de por qué estamos aquí y qué es lo que lo mantiene todo unido, ¿sabes?". [ 201 ]

El Gran Colisionador de Hadrones fue el tema central del cortometraje estudiantil Decay de 2012 , que se filmó en los túneles de mantenimiento del CERN. [ 202 ]

Ficción

La novela Ángeles y demonios , de Dan Brown , trata sobre la creación de antimateria en el LHC para ser utilizada en un arma contra el Vaticano. En respuesta, el CERN publicó una página titulada "¿Realidad o ficción?" donde analizaba la veracidad de la descripción que el libro hace del LHC, el CERN y la física de partículas en general. [ 203 ] La versión cinematográfica del libro incluye imágenes filmadas en uno de los experimentos del LHC; el director, Ron Howard , se reunió con expertos del CERN para lograr una mayor precisión científica en la historia. [ 204 ]

La novela FlashForward , de Robert J. Sawyer , trata sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC. El CERN publicó una página de "Ciencia y Ficción" con entrevistas a Sawyer y a físicos sobre el libro y la serie de televisión basada en él. [ 205 ]

En la serie de televisión The Flash , el LHC sirve de inspiración para el acelerador de partículas ficticio de STAR Labs, apodado The Pipeline. En la línea temporal de la serie, este acelerador de partículas sufre una explosión que le otorga a Barry Allen ( Flash ) sus superpoderes. [ 206 ]

En la serie de novelas visuales / anime Steins;Gate , el CERN se representa como la organización secreta SERN, que investiga los viajes en el tiempo para controlar el mundo. En este mundo ficticio, SERN utiliza el LHC para crear agujeros negros de Kerr , lo que les permite enviar materia a través del tiempo. [ 207 ] [ 208 ]

Véase también

Referencias

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  • Sitio web oficialEdita esto en Wikidata
  • Descripción general del LHC en la página web pública del CERN
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