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EL ACELERADOR LHC alcanzó energías record
Primeras colisiones de protones en el LHC
Luis Manuel Montaño Zetina
El Dr. Luis Manuel Montaño Zetina es investigador titular del Departamento de Física
del Cinvestav. lmontano@fis.cinvestav.mx (tel: 57473839)
Resumen
"En noviembre de 2009 se obtuvieron resultados de las tan esperadas primeras
colisiones de haces de protones circulando en sentidos contrarios en el LHC, primero a
energías de 900GeV y luego a 2.36TeV. Posteriormente en el 2010 se obtuvieron
colisiones a 7TeV. Las primeras publicaciones de estos resultados no se hicieron
esperar. Esto marca el inicio de una actividad científica sin precedentes en el área de
partículas elementales en la búsqueda de entender mejor el origen y la formación de la
materia tanto conocida como no conocida en el universo"
El LHC [1] (por sus siglas en inglés Large Hadron Collider), en el CERN (por sus siglas en
francés Centre Européen pour la Recherche Nucléare), uno de los proyectos científicos más
ambiciosos y costosos de nuestra era [2] obtuvo a finales del 2009 y a principios de 2010 los
tan esperados primeros resultados dentro de su programa de investigación: las primeras
colisiones de haces de protones a energías antes jamás alcanzadas.
Situado entre la frontera de Francia y Suiza (ver figura 1), cerca de la ciudad de Ginebra y a
una profundidad promedio de entre 60 a 80 metros, el LHC es el acelerador de partículas más
grande del mundo. Consiste en un complejo de magnetos semiconductores, sistemas de
enfriamiento, conductos donde viajan haces de partículas cargadas en sentidos opuestos y a
velocidades cercanas a la de la luz, todo dentro de un túnel circular de casi 27 km de
circunferencia.
Figura 1. El LHC y sus cuatro principales experimentos: ALICE, ATLAS, CMS y LHCb.
En el programa de investigación del LHC, uno de sus objetivos esenciales es explicar
fenómenos aún no entendidos por la física de partículas elementales o de altas energías, a
través del estudio de la materia. Para ello es necesario crear choques de haces de partículas
subatómicas como protones o electrones o también de iones pesados como oro o plomo (ver
figura 2) y al registrar los resultados de estos choques y de identificar los productos de las
colisiones a través de detectores, se reconstruyen estos eventos con los cuales podremos
conocer más sobre los constituyentes más básicos de la materia en el universo.
Aunque el LHC comenzó oficialmente sus actividades desde septiembre de 2008 en medio
de una gran euforia y también un poco de temor por el supuesto peligro que representaba, no
fue sino hasta noviembre de 2009 que se lograron las tan esperadas colisiones de protones.
Esta pausa de más de un año se debió a la necesidad de reparar la falla que hubo a un mes de
haber iniciado[3].
Figura 2. Estructura microscópica de la materia.
En algunos documentos divulgativos anteriores [3,4,5,6], profesores mexicanos integrantes
de la colaboración de este gran proyecto hemos explicado y difundido las tareas y objetivos
del LHC así como dar a conocer nuestra participación en él. En el acelerador LHC existen 8
puntos posibles para que se puedan efectuar las colisiones, 4 de esos puntos están
constituidos de los grandes detectores llamados ALICE, ATLAS, CMS y LHCb. México, a
través de varios investigadores de diferentes institutos participamos en dos de ellos: ALICE y
CMS.
El lunes 23 de noviembre el LHC logró un primer gran objetivo dentro de su programa de
investigación y funcionamiento: la de tener los dos haces de protones circulando en
diferentes direcciones simultáneamente. Con estos haces se obtuvieron las primeras
colisiones en diferentes puntos del acelerador (cada punto correspondiente a cada gran
detector) pero siendo de baja intensidad por cuestiones de seguridad. La idea principal era de
que las primeras colisiones sirvieran como prueba del funcionamiento del acelerador. Así se
logró tener ensambles (en inglés llamados bunches) de protones, uno por haz de sólo 3x109
protones. Funcionando a mayor capacidad, el LHC puede lanzar varios de estos ensambles en
cada haz y así incrementar la cantidad de interacciones.
Resultados y publicaciones
La Colaboración ALICE, donde participamos un grupo de investigadores mexicanos de
diferentes institutos a través de los subsistemas llamados ACORDE y V0A, envió para su
publicación los resultados de estas primeras colisiones antes de que acabara el año 2009. Este
documento trata del análisis de 284 eventos detectados durante los choques de protones[7].
Ahí se presenta medidas de la densidad de las partículas cargadas producidas en esos choques
con respecto a la pseudorapidez (parámetro relacionado con el ángulo polar y el eje del haz) a
900GeV de energía de interacción. Estos eventos fueron registrados sin campo magnético.
Para el análisis de estos datos se usó el subsistema de ALICE llamado SPD aunque mucha
información vino también a través de los subsistemas SDD, SSD y el V0 para verificar la
información que se obtenía y quitar eventos falsos. En este documento también se hace una
comparación de estos resultados con los previamente obtenidos en el mismo CERN 25 años
antes, a través del acelerador SPS (actualmente sirve este acelerador como una etapa de
aceleración para el LHC), aunque estos experimentos trabajaron con colisiones protónantiprotón. La comparación se logró ya que a grandes energías de interacción, como en este
caso, la diferencia entre las densidades de partículas cargadas producidas entre las
interacciones protón-protón y protón-antiprotón decrece como el inverso de la energía de
colisión. También las colaboraciones CMS y ATLAS enviaron sus resultados para
publicarlos [8,9].
Las colisiones en el LHC y los datos que de ellos surgieron continuaron hasta el 16 de
diciembre, fecha en que se decidió hacer una pausa para ajustar el LHC con el objetivo de
alcanzar mayores energías de colisión. De esta forma, a principios de 2010 haces de protones
nuevamente circularon por el acelerador LHC. Para este inicio fue necesario dedicar algunas
semanas para verificar el funcionamiento adecuado de los magnetos y demás sistemas de
control del acelerador. El plan era alcanzar una energía de los haces de 1.18 TeV por haz e
inclusive llegar hasta 3.5 TeV por haz. De este inicio de actividades en el 2010 se planea
tener el LHC en funcionamiento sin grandes pausas por los próximos 18 a 24 meses.
Posterior a estos meses de actividad habrá un receso para prepararlo a alcanzar aún mayores
energías. Se tiene planeado llegar a 14 TeV (7TeV por haz).
Este receso necesario se debe a que el LHC es también un gran instrumento criogénico, esto
implica que cada etapa de aceleración viene acompañada de una fase larga de enfriamiento y
calentamiento. Para su mayor rendimiento se pensó en dos posibilidades: o que el acelerador
funcionase por periodos cortos y muchas pausas durante varios años, o que funcionase por un
periodo relativamente largo (2 años) para posteriormente tener una pausa también
relativamente larga. Se decidió por esta segunda opción ya que así los experimentos podrán
registrar a mediano plazo datos suficientes para hacer estudios significativos dentro de sus
respectivos programas de investigación.
Colisiones a 7TeV
El 28 de febrero se realizó una inyección de protones al acelerador logrando que estas
partículas llegaran a energías de 450GeV por haz, esto sirvió para probar la estabilidad y los
múltiples sistemas que necesita el LHC para alcanzar energías mayores. Una vez que todo
estaba bajo control fue hasta el 12 de marzo que se elevó la energía a 1.18TeV. Finalmente
después de varias pruebas para poder aumentar la energía se consiguió llegar a 3.5TeV por
haz. El 30 de marzo de 2010, a un mes que el LHC empezó sus actividades en este año, se
consiguieron las primeras colisiones de protones a 7TeV (3.5TeV por haz, ver figura 3). Las
4 colaboraciones del LHC registraron eventos en sus sistemas de detección, lo cual confirmó
que se había logrado colisiones por primera vez a energías de 7TeV. Posteriormente, durante
los siguientes días se fueron acumulando millones de eventos que ahora están siendo
analizados y cuyos resultados serán publicados en los próximos meses.
Figura 3. Primeras colisiones a 7TeV (corrida 114783 evento 131)
Cabe mencionar que para los investigadores mexicanos involucrados en el LHC a través de
los detectores ALICE y CMS, el reinicio de las actividades del LHC en el 2009 con las
primeras colisiones de protones a energías jamás logradas, es una gran meta cumplida.
Muchos de nosotros estamos dentro de esta gran colaboración desde hace más de 10 años y,
en particular en ALICE (ver figura 4), nuestra participación fue en la planeación y
construcción de dos subsistemas llamados ACORDE y V0A. Sabiendo que antes de los
inicios del LHC nuestros detectores estuvieron a tiempo, fueron probados y funcionaron
óptimamente y que en particular el V0A (integrante del subsistema completo V0) fue clave
para las primeras colisiones, como se puede ver en el primer artículo de ALICE, nos llena de
orgullo y satisfacción.
Figura 4. Algunos de los participantes en el experimento ALICE.
Referencias
1. http://lhc.web.cern.ch/lhc/
2. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 101
3. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 107
4. Avance y Perspectiva, vol 1, Nueva Epoca, Numero 2, julio-septiembre 2008, 117
5. Véase, por ejemplo, L. M. Montaño, Avance y Perspectiva, 20, 75 (2001)
6. L. M. Montaño y G. Herrera, Avance y Perspectiva, 17, 357 (1998)
7. ALICE Collaboration 2010 Eur. Phys. J. C65 111. arXiv:0911.5430
8. ATLAS Collaboration aceptado en Phys. Letts. B arXiv:1003.3124
9. CMS Collaboration 2010 JHEP 2 041 arXiv:1002.0621v2