El Gran Colisionador de Hadrones (en acrónimo LHC , literalmente "gran colisionador de hadrones ") es un acelerador de partículas ubicado en el CERN en Ginebra , utilizado para la investigación experimental en el campo de la física de partículas . [1]
El LHC es el acelerador de partículas más grande y potente de la Tierra. Se trata de un acelerador de hadrones con una energía de unos 14 teraelectronvoltios , construido en el interior de un túnel subterráneo de unos 27 km de circunferencia, a unos 100 m de profundidad. Está ubicado en el mismo túnel realizado anteriormente para el acelerador LEP .
Los componentes más importantes del acelerador son 1232 imanes superconductores de baja temperatura , que tienen un campo intenso de unos 8 teslas [2] . Están hechos de aleación de niobio y titanio y se enfrían a una temperatura de unos 2 K (unos -271 °C ), utilizando helio líquido .
La máquina acelera dos haces que circulan en sentidos opuestos, dentro de los tubos de vacío. Los rayos chocan en cuatro puntos a lo largo del camino, donde el túnel se ensancha para dar cabida a grandes compartimentos que albergan los detectores. Los cuatro detectores de partículas principales son ATLAS , una forma toroidal, el solenoide compacto para muones , LHCb y ALICE , un colisionador de iones. Los detectores usan diferentes tecnologías y operan alrededor del punto donde los haces chocan. En las colisiones se producen numerosas partículas , cuyas propiedades son medidas por los detectores y enviadas al centro de cómputo. Uno de los principales objetivos de los estudios es la búsqueda de rastros de la existencia de nuevas partículas.
Después de una falla inicial que comprometió el sistema de enfriamiento y provocó un cierre de aproximadamente un año, el LHC comenzó su campaña experimental a fines de 2009. [3] El incidente fue discutido en detalle por el físico Lucio Rossi, en la era responsable de los imanes superconductores. [4]
En 2018, se inició la implementación de un proyecto de mejora del rendimiento, en particular para aumentar el brillo del haz por un factor de 10 ( Proyecto LHC de alta luminosidad ) [5] [6] .
Tras la demostración de la existencia del bosón de Higgs , previsto por el Modelo Estándar para dar lugar a las masas de partículas, físicos de todo el mundo proponen utilizar el LHC para obtener respuestas a diversas preguntas que consideran fundamentales para la continuación de la investigación física. [ 7] :
El programa científico del LHC incluye siete experimentos. Los dos experimentos más grandes son ATLAS [8] ( A Toroidal LHC ApparatuS ) y CMS [9] ( Compact Muon Solenoid ), que son detectores masivos y tecnología avanzada creados por colaboraciones internacionales que comprenden más de 2000 físicos. En cambio, el experimento LHCb está diseñado para estudiar la física de los mesones B, mientras que ALICE [10] está optimizado para el estudio de colisiones entre iones pesados. Los dos detectores más pequeños son TOTEM [11] y LHCf [12] , que se especializan en estudiar colisiones que producen partículas en pequeños ángulos con respecto a la dirección de los haces. El último experimento que se ha iniciado es el experimento MoEDAL , cuyo objetivo principal es la búsqueda del monopolo magnético .
El primer haz de protones circuló en el acelerador el 10 de septiembre de 2008 por la mañana. [13] Las partículas fueron disparadas hacia el acelerador en el sentido de las agujas del reloj a las 10:28 hora local [14] y luego un haz de protones fue disparado en sentido antihorario y llegó a su destino a las 14:59.
Las primeras "modestas" colisiones de alta energía de 900 GeV debieron ocurrir en los primeros días de la semana del 22 de septiembre de 2008. A partir del 12 de octubre de 2008, antes de la inauguración oficial (21 de octubre de 2008 ), el LHC ya debería haber operado a un energía de 1 TeV [15] y en 2009 debería haber alcanzado la energía de 7 TeV. Sin embargo, los tiempos han aumentado algo, ya que el 19 de septiembre de 2008 se produjo un fallo que mantuvo parado el acelerador durante varios meses. [dieciséis]
Fecha | Evento |
---|---|
10 de septiembre de 2008 | El primer protón dentro del circuito se hace pasar a velocidades mínimas. |
19 de septiembre de 2008 | Se daña un superconductor provocando la pérdida de 6 toneladas de helio líquido. |
30 de septiembre de 2008 | La primera colisión prevista, a medio-bajo régimen, se aplaza por la persistencia de problemas técnicos. |
16 de octubre de 2008 | Se publica un primer análisis del incidente al superconductor. |
21 de octubre de 2008 | Inauguración oficial. |
5 de diciembre de 2008 | CERN publica otros análisis detallados. |
21 de noviembre de 2009 | El LHC se volvió a encender con una energía de 2,36 TeV (1,18 TeV por haz). |
23 de noviembre de 2009 | Primeras colisiones con centro de masa de energía de 900 GeV (450 GeV + 450 GeV). |
30 de noviembre de 2009 | Niveles de energía de 2,36 TeV alcanzados en el centro de masa (nuevo récord mundial). |
8 de diciembre de 2009 | Por primera vez, se han observado colisiones de protones con todos los dispositivos de detección funcionando a 2,36 TeV en el centro de masa. |
19 de marzo de 2010 | Por primera vez, los dos haces de partículas alcanzan cada uno 3,5 TeV pero sin que los protones colisionen. |
30 de marzo de 2010 | Primeras colisiones protón-protón a 7 TeV en el centro de masa. La máquina vuelve a batir el récord mundial ya logrado por LHC en noviembre de 2009. |
30 de junio de 2010 | Obtuvo el nuevo récord de brillo instantáneo de 8x10 29 cm −2 s −1 , con tres racimos (paquetes de protones) por haz de alta intensidad. |
14 de julio de 2010 | Logró el brillo récord para LHC de 10 30 colisiones por segundo por centímetro cuadrado. |
20 de agosto de 2010 | Se alcanzó un nuevo récord de brillo instantáneo: 6,5 x 10 30 cm −2 s −1 . |
23 de agosto de 2010 | Se alcanzó la luminosidad de 10 31 cm - 2 s - 1 , con 48 paquetes de protones (racimos) a la vez con una sola densidad alcanzando los 5.000 billones de protones. |
14 de octubre de 2010 | Alcanzó el brillo de 10 32 cm −2 s −1 . |
4 de noviembre de 2010 | Los primeros haces de iones de plomo se inyectaron en el coche sin que chocaran. |
5 de noviembre de 2010 | Los haces de iones se aceleraron a una energía de 1,38 TeV, un nuevo récord histórico. |
7 de noviembre de 2010 | Primeras colisiones de iones acelerados a una energía de 1,38 TeV. |
22 de abril de 2011 | Alcanzó el brillo de 4,67 x 10 32 (nuevo récord absoluto). |
25 de julio de 2011 | Registra un exceso de eventos en la región, aún no excluidos por la existencia del bosón de Higgs, entre 114 y 140 GeV. |
22 de agosto de 2011 | Excluyendo la existencia del Higgs en gran parte de la región de masas entre 145 y 466 GeV con una certeza del 95 por ciento. |
25 de noviembre de 2011 | Excluyendo la existencia del Higgs en gran parte de la región de masas entre 141 y 476 GeV con una certeza superior al 95 por ciento. |
13 diciembre 2011 | Los resultados informados indican un exceso de eventos en el rango de masas alrededor de 125 GeV. |
27 de diciembre de 2011 | Se ha anunciado el descubrimiento de la partícula χ b (3P) ( Chi bottom (3P)) compuesta por un quark beauty y su antiquark. |
7 de febrero de 2012 | Se han revelado más resultados de los experimentos ATLAS y CMS que indican una ventana de energía para el eventual bosón de Higgs entre 124 GeV y 126 GeV. |
13 febrero 2012 | Se tomó la decisión de aumentar la energía de cada haz, para 2012, de 3,5 TeV a 4 TeV. |
30 de marzo de 2012 | Primeras colisiones protón-protón con energía en el centro de masa de 8 TeV, un nuevo récord histórico. |
19 de abril de 2012 | Alcanzó el brillo de 3,9 x 10 33 colisiones por centímetro cuadrado y por segundo utilizando 1 380 paquetes por haz. |
27 de abril de 2012 | Se anunció el descubrimiento del estado excitado de la partícula Ξ b 0 ( Xi bottom ) compuesta por un quark beauty, un quark up y un quark strange. |
16 de mayo de 2012 | Anunció el descubrimiento de 2 estados excitados de la partícula Λ b 0 ( Lambda bottom ) compuesta por un quark belleza, uno arriba y otro abajo. |
4 de julio de 2012 | Se ha anunciado el descubrimiento de una nueva partícula, presuntamente el bosón de Higgs, de la masa de125,3 ± 0,6 GeV/c 2 de 4,9 sigma . Los datos analizados hasta ahora son consistentes con el Higgs, sin embargo, se están realizando más análisis. |
13 de septiembre de 2012 | Primeras colisiones de protones con iones de plomo. |
17 de marzo de 2015 | La estimación de la masa del bosón de Higgs se ha mejorado al valor de125,09 ± 0,24 GeV . |
21 de mayo de 2015 | Primeras colisiones protón-protón a la energía de 13 TeV. |
25 noviembre 2015 | Primera colisión de iones a la energía récord de 1 PeV (equivalente a 5 TeV de los experimentos anteriores) [17] |
23 abril 2016 | Recopilación de datos |
22 de abril de 2022 | El Gran Colisionador de Hadrones se reactiva |
Tras el análisis de las 284 colisiones a 900 GeV observadas en el experimento ALICE el 23 de noviembre de 2009 , los científicos del LHC publicaron las primeras medidas de densidad de la seudorapidez η de partículas cargadas primarias. En el intervalo | η | <0,5 los científicos obtuvieron los siguientes valores:
Tipo de interacciones | dN ch / dη | Incertidumbre estadística |
Incertidumbre sistemática |
---|---|---|---|
no elástico | 3.10 | ± 0,13 | ± 0,22 |
difractivo no único | 3.51 | ± 0,15 | ± 0,25 |
Estos resultados son compatibles con mediciones previas de interacciones protón-antiprotón a la misma energía en el centro de masa obtenidas con el colisionador CERN Spp̅S [18] .
Por primera vez se observó directamente el jet quenching , analizando las colisiones entre iones de plomo observadas por el experimento ATLAS en noviembre de 2010. Esta asimetría podría derivar de la formación de plasma de quarks-gluones, que interfiere con los chorros de partículas que lo atraviesan.
Descubrimiento de la partícula χ b (3P) compuesta por un quark belleza y su antiquark.
Descubrió el estado excitado de la partícula Ξ b 0 compuesta por un quark beauty, un extraño y un up.
Descubierto 2 estados excitados de la partícula Λ b 0 compuesta por un quark belleza, uno abajo y otro arriba.
Se ha descubierto una nueva partícula compatible con el modelo estándar del bosón de Higgs.
Las dos partículas bariónicas Xi_b'- , Xi_b * - [19] [20] fueron descubiertas en el experimento LHCb
Walter Wagner y Luis Sancho, en marzo de 2008, demandaron en un tribunal de Hawái al CERN, al Fermilab de Chicago y al Departamento de Energía de los Estados Unidos , que participaron en la construcción del acelerador, en un intento de impedir que el LHC entrara en funcionamiento. [21] pero perdió el caso. Posteriormente, en septiembre de 2008, un grupo de investigadores, liderado por Markus Goritschnig, recurrió al Tribunal Europeo de Derechos Humanos para detener el experimento, ya que podría producir un peligroso agujero negro , pero el Tribunal Europeo rechazó la solicitud, [22] ya que, según los científicos del CERN , los escenarios propuestos son "altamente improbables".
El 20 de junio de 2008, el LHC Safety Assessment Group (LSAG), el equipo de evaluación de riesgos del LHC, publicó un nuevo informe de seguridad, que actualiza el informe de 2003, [23] en el que reafirma y amplía las conclusiones anteriores de que "las colisiones provocadas por el LHC no presentan ningún peligro y no hay motivo de preocupación" . [24] [25] [26] El informe LSAG luego fue revisado y analizado por el Comité de Política Científica del CERN , [27] un grupo de científicos externos que ofrecen asesoramiento al CERN. [24] [28] [29] El 5 de septiembre de 2008, el artículo de LSAG, "Revisión de la seguridad de las colisiones del LHC" , se publicó en el Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics . [30]
En este artículo, los del LSAG admiten que algunos miniagujeros negros producidos por el LHC pueden, a diferencia de los producidos por los rayos cósmicos , tener una velocidad inferior a la velocidad de escape de la Tierra , pero siguen argumentando que el LHC es seguro, ampliando la analogía. rayos cósmicos no sólo a la Tierra, sino también a otros cuerpos celestes. De hecho, en el universo hay cuerpos muy densos, como las estrellas de neutrones , que tienen una velocidad de escape tan alta que también atrapan los miniagujeros negros producidos por los rayos cósmicos; la elevada vida media de una estrella de neutrones, que es continuamente bombardeada por rayos cósmicos, niega el peligro de los miniagujeros negros producidos por los rayos cósmicos, y por tanto, por analogía, también los producidos por el LHC.
También hay que decir que la tesis de Otto Rössler (que, sobre la base de una teoría obsoleta resultó ser errónea [31] , sostiene que los agujeros negros no pueden emitir radiación de Hawking porque son infinitamente distantes y grandes), según la opinión del CERN, contradice solo en sí mismo: [31]
( ES )
"¿Cómo se puede crear algo que está infinitamente lejos (y también algo que es infinitamente grande) en un tiempo finito y tener un efecto en nosotros? ¿No debería Rössler concluir de la misma manera que los agujeros negros no se pueden crear en primer lugar? Pero, ¿qué pasa con los datos astronómicos que muestran firmas de agujeros negros, por ejemplo, en el centro de nuestra galaxia? |
( ES )
“¿Cómo se puede crear una cosa infinitamente distante (e infinitamente grande) en una cantidad finita de tiempo y tener un efecto en nosotros? ¿No debería Rössler concluir de manera similar que los agujeros negros no se pueden crear en primer lugar? ¿Y los datos astronómicos que muestran rastros de agujeros negros, por ejemplo, en el centro de nuestra galaxia? |
( Domenico Giulini y Hermann Nicolai ) |