Importante participación española en el proyecto RUN-3 del “Large Hadron Collider” (LHC) del CERN

Durante estos tres años se han implementado muchas mejoras en el acelerador de 27 Km. del CERN, el LHC. Así, la seguridad de los imanes se ha aumentado, mejorando el aislamiento eléctrico en los diodos de más de 1200 imanes dipolares superconductores, que funcionan a a la temperatura del helio superfluido, -271 grados centígrados. Estos imanes, encargados de proporcionar la curvatura adecuada a los protones, soportan hasta 13000 amperios de corriente, por lo que se instalaron diodos en sus uniones, que permiten extraerla, en caso de necesidad. Además, se han cambiado 19 de ellos, algunos de los cuales habían presentado alguna ineficiencia, así como 3 imanes cuadripolares. Asimismo, se ha instalado para éstos el sistema de criogenia adecuado a la futura etapa de alta luminosidad. Se han mejorado los sistemas de descarga y amortiguamiento de los haces, que están constituidos por cerca de tres mil paquetes de más de cien mil millones de protones cada uno. Se han instalado 16 nuevos colimadores, en torno a los cuatro experimentos y en otras zonas del acelerador. También se ha incrementado la potencia de la criogenia en algunas zonas del acelerador, con vistas a la preparación de la alta luminosidad. Hay que considerar, además, que los haces tienen tamaños micrométricos, lo que es un reto tecnológico importante. 

Si bien la circulación de los haces y la puesta a punto de los inyectores está funcionando desde el pasado abril, el inicio oficial fue todo un éxito, logrando en poco más de media hora realizar todo el proceso de inyección de los haces, aceleración, afinamiento, ajustes, etc.… para tenerlos listos para colisiones, que se produjeron, con gran entusiasmo en sus correspondientes salas de control, por parte de las cuatro colaboraciones. De esta manera, la etapa tercera del LHC se ha comenzado y durará cerca de cuatro años, momento en el que el acelerador y los detectores iniciarán una nueva etapa de mejora, para realizar la última y definitiva, la etapa de alta luminosidad, a partir de 2029, aproximadamente. 

*LHC Run 3 logra haces estables (CERN, 5-Julio-2022, 16:40)

¿Qué supone esta nueva etapa para la comunidad científica? Realmente es una etapa intermedia, muy importante.

Por una parte, la energía de los protones se ha incrementado ligeramente, lo que permitirá explorar nuevas regiones en las que podría observarse nueva física, más allá del modelo estándar, en caso de que la naturaleza se muestre así.

Por otra parte, más importante, el acelerador se ha implementado para tener mayor luminosidad, es decir mayor número de colisiones por segundo, de modo que la estadística de sucesos esperada será incluso mayor que la obtenida en las etapas anteriores. Eso implica que se podrán medir con mayor precisión las propiedades de las partículas y fuerzas del Universo, en particular las del bosón de Higgs, así como su acoplamiento a otras partículas elementales. 

Pero es que además los experimentos también han sido mejorados, utilizando nuevas tecnologías y sustituyendo partes viejas por otras nuevas, de mejor calidad y precisión. Ello implica que la capacidad de los mismos, para estudiar física fundamental, es mayor, es más robusta y precisa.

*LHC Run 3 Record de energía

El experimento ATLAS ha instalado nuevos detectores auxiliares de muones de gran precisión para la reconstrucción de sus trazas, ha renovado parte de la electrónica del calorímetro de argón líquido, ha mejorado el sistema de “trigger” y ha instalado nuevos subdetectores en la línea de los haces.

Por su parte, CMS ha reemplazado la pipa del haz de 36 metros, para reducir la radiactividad inducida en un factor 5 y mejorando las bombas de vacío. Ha sustituido el detector de “pixels” de silicio más interno y ha reparado la parte dañada. Ha mejorado la electrónica de los calorímetros y de las cámaras de muones. Ha instalado una nueva estación de cámaras de muones en las tapas del detector, un nuevo detector de luminosidad y un nuevo sistema de potencia del imán. 

El detector LHCb se ha modificado sustancialmente, para recoger hasta un factor 10 de aumento en su estadística. El detector más interno, de “pixels” de silicio es nuevo, con mayor granularidad. Los detectores de Cerenkov han sido ampliamente mejorados, como lo ha sido el sistema de reconstrucción de trazas. Finalmente, toda la electrónica frontal ha sido sustituida y mejorada para la nueva luminosidad y se han instalado nuevos centros de datos. 

El detector ALICE espera mejorar en un factor 50 la luminosidad, por lo que ha instalado un nuevo sistema interno de trazas, ha modificado de forma importante las cámaras de muones, la cámara de proyección temporal y detectores de “trigger”. También ha implementado un nuevo sistema de adquisición de datos 

Hay otros factores añadidos, como la inclusión de algunos nuevos experimentos para otros tipos de física, como detección de neutrinos, monopolos magnéticos, etc…

*Robot del sistema de recogida de datos (CERN)

Y, finalmente, es una etapa intermedia a la etapa de alta luminosidad, que comenzará en 2029 y que logrará una estadística diez veces superior, con lo que se podrá profundizar mucho más en el modelo estándar y en física más allá, como el estudio de la materia oscura, entre otras. 

También es importante conocer cuál ha sido y será el papel de los grupos españoles en el LHC. Desde el principio, España ha participado muy activamente en tres de los cuatro experimentos principales, a saber, ATLAS participando el IFAE y el CNM de Barcelona, el IFIC de Valencia y la Universidad Autónoma de Madrid), CMS ( con participación del CIEMAT de Madrid, el IFCA de Cantabria, la Universidad Autónoma de Madrid, la Universidad de Oviedo, el CNM de Barcelona y el ITAINNOVA de Aragón) y LHCb (con participación del IGFAE de Santiago de Compostela, la Universidad de Barcelona, la Universidad Ramon Llull y el IFIC de Valencia). Y continuará haciéndolo en los mismos, habiendo tenido una labor muy importante en la implementación de los detectores.

Concretamente, en el Instituto de Física de Cantabria, el IFCA, perteneciente al CSIC y a la Universidad de Cantabria, hemos desarrollado nuevos detectores de silicio para la parte más interna del detector CMS, bajo la dirección de Iván Vila y Gervasio Gómez, y la tecnología desarrollada tendrá otras aplicaciones en otros campos, como en Medicina, por ejemplo, en colaboración con el Hospital Valdecilla. Además, hay una participación importante en el sistema de cómputo, liderado por Francisco Matorras y de análisis de datos, liderado por Celso Martínez y Alicia Calderón.

*El detector CMS, toma sus primeras medidas en el Run-3

*Uno de los primeros sucesos del Run-3 tomado en CMS

¿Por qué es tan importante la física que se está realizando en el LHC? El descubrimiento del bosón de Higgs, anunciado el 4 de Julio de 2012, cerraba los estudios de las componentes fundamentales del Universo, según el modelo estándar. Pero quedaban muchos aspectos por investigar. Para empezar, el modelo estándar solo explica una parte pequeña, el 5% de la energía del Universo. El resto, materia oscura y energía oscura, sigue sin conocerse y el nuevo LHC ayudará a su estudio y, con algo de suerte, a desvelar parte del misterio. Pero es que el propio bosón de Higgs debe ser analizado con muchísima precisión, para poder establecer el comportamiento del Universo, su estabilidad, sus propiedades. Las nuevas etapas de LHC producirán varios millones de bosones de Higgs, de los cuales una pequeña parte podrá ser extraída e investigada, para deducir con mayor precisión sus propiedades. Y, si hay suerte, asimismo, podría ser un portal a la detección de materia oscura. Además se quieren resolver misterios como la asimetría materia-antimateria o las extremas condiciones de la materia inmediatamente después del Big-Bang. 

En todo caso, tanto desde el CERN, como desde otras partes del mundo, se están estudiando y diseñando nuevos aceleradores de partículas, en este caso para colisionar electrones contra sus antipartículas, positrones. Son las llamadas factorías de Higgs, que producirán millones de sucesos limpios, casi todos ellos analizables en principio y, por tanto, además de complementar los estudios del LHC, permitirán medidas muy finas y robustas. Son proyectos de tales características que requieren un consenso y colaboración mundial. El más desarrollado técnicamente es el International Linear Collider, que se establecería en Japón, y que sería lineal, inicialmente en torno a 30 Km de longitud, con haces nanométricos y cavidades superconductoras aceleradoras. Otros proyectos, del CERN en ese caso, son un acelerador lineal, el CLIC u otro circular, de 100 Km. de circunferencia, el FCC. Por su parte, en China se proyecta en un acelerador circular de 80 Km, el CEPC. 

*Visión Artística de las cavidades del ILC, cortesía ILC

También existe en España una red de científicos e ingenieros, trabajando tanto en aceleradores como detectores, coordinada por Marcel Vos (IFIC), Juan Alcaraz (CIEMAT) y yo mismo, Alberto Ruiz (IFCA), en la que tenemos un papel importante a nivel internacional en la persona de Juan Fuster (IFIC), así como en las colaboraciones de I+D para detectores, con la representación de Mary Cruz Fouz (CIEMAT) y los representantes de importantes centros de aceleradores en España, CIEMAT (Luis García Tabarés), IFIC (Daniel Esperante), ALBA-CELLS (Francis Pérez), ESS Bilbao (Ibon Bustinduy) y CNA (Luis Gómez Camacho) y estamos coordinados con INEUSTAR. 

INDUCIENCIA (Aitor Echeandia, Erik Fernández). También cito la representación en la participación de la Universidad de Barcelona (Angel Diéguez) y el CNM-IMB de Barcelona (Salvador Hidalgo) y las Universidades de Granada ( Fernando Cornet), Santiago de Compostela (Abraham Gallas) y Sevilla (Rogelio Palomo) y los Institutos de investigación IFT de Madrid (Sven Heinemeyer), IFAE de Barcelona (Sebastian Grinstein) e ITAINNOVA de Aragón (Fernando Arteche), entre otras.