Gran Colisionador de Hadrones

El Gran Colisionador de Hadrones , (en inglés  : Large Hadron Collider - LHC ), es un acelerador de partículas encargado en 2008 y ubicado en la región fronteriza entre Francia y Suiza entre la periferia noroeste de Ginebra y el país de Gex ( Francia ). Es el acelerador de partículas más potente construido hasta la fecha, especialmente desde que se completó su mejora en 2015 después de dos años de inactividad. Incluso se promociona como el dispositivo experimental más grande jamás construido para validar teorías físicas. En 2012 , confirmó la existencia del bosón de Higgs .

El LHC fue construido en el túnel circular (26.659  km de circunferencia) de su predecesor, el colisionador LEP ( Large Electron Positron ). A diferencia de estos últimos, los protones , de la familia de los hadrones  , se aceleran para producir colisiones, en lugar de electrones o positrones para LEP.

Estos protones se acelerarán a una energía de 7  TeV , o casi 7.500 veces su energía de masa . La energía total de dos protones incidentes será por tanto de 14  TeV . El LHC también se utilizará para acelerar iones pesados ​​como el plomo con una energía de colisión total de 1150  TeV para el núcleo en su conjunto, es decir, un poco más de 2,75  TeV por nucleón que contiene.

Ocho detectores, cuatro de los cuales son muy grandes, están instalados en este acelerador, es decir, ATLAS , CMS , TÓTEM , LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL y FASER ( ver su descripción detallada ).

Metas

Los físicos esperan dar respuestas a varias preguntas relacionadas con la física de partículas y la cosmología utilizando estos detectores:

Histórico

El proyecto para construir un gran colisionador de hadrones fue aprobado oficialmente en Diciembre de 1994, para suceder a la LEP. Los cuatro grandes detectores instalados (ATLAS, CMS, ALICE y LHCb) fueron aprobados entre 1996 y 1998. La puesta en servicio se programó inicialmente para 1999, pero múltiples retrasos técnicos y financieros lo retrasaron hasta finales de 2007. Luego, a finales del verano de 2008. El cierre de LEP finalmente tuvo lugar en 2000, y su desmantelamiento, seguido del inicio de la construcción del LHC, tuvo lugar casi inmediatamente después. Un debate tuvo lugar en 2000 cuando se cerró la LEP. Esto produjo resultados ambiguos a las energías más altas con las que podría funcionar (poco más de 200  GeV ), lo que sugiere el descubrimiento del bosón de Higgs , una partícula predicha por el modelo estándar de física de partículas . La oportunidad de extender la vida útil de LEP para confirmar este resultado se opuso a la de desmantelar LEP para construir el LHC lo más rápido posible. Finalmente se adoptó la segunda solución, considerándose insuficiente la sensibilidad de la LEP para confirmar indiscutiblemente la existencia del bosón de Higgs, y considerándose limitado el riesgo de que el bosón de Higgs fuera descubierto mientras tanto por el Tevatron , instalado en Estados Unidos. .

En los Estados Unidos también se propuso un proyecto de acelerador similar pero más poderoso (energía de 20  TeV por protón en lugar de 7 para el LHC) , el Superconductor Super Collider (SSC), pero fue abandonado por varias razones presupuestarias en 1993 ..

El costo total del proyecto para el CERN es de 6 mil millones de francos suizos (aproximadamente 5,2 mil millones de euros). La construcción del propio LHC asciende a 4.600 millones de francos suizos, incluida una masa salarial del 20%. La parte financiada por el CERN en la construcción de los detectores asciende a 1.100 millones de francos suizos, más una contribución mayoritaria fuera del CERN (el CERN financia el 20% de CMS y LHCb, el 16% de ALICE y el 14% de ATLAS). También se han invertido algo menos de 300 millones de francos suizos en la mejora del inyector ( la cadena de aceleradores que produce los haces y los inyecta en el anillo principal) y los recursos informáticos. Todos los elementos del acelerador y sus experimentos (detectores) estaban en su lugar a finales de 2007-principios de 2008.

Cobertura mediática de los temores en torno a las consecuencias de la operación

Si la prensa científica ha puesto de relieve especialmente los aspectos científicos del experimento, uno de los aspectos más tratados por la prensa general está constituido por las acciones legales de algunos científicos que exigen la suspensión del experimento para el miedo de la creación de micro agujeros. Negro en el LHC. En astrofísica , un agujero negro se describe como un objeto que envuelve todo a su paso, pero los agujeros negros microscópicos que probablemente se crearán en el LHC no compartirían esta propiedad. Si, no obstante, se produjeran, estarían sometidos, debido a su masa, al fenómeno de evaporación de agujeros negros predicho por Stephen Hawking en 1975 y desaparecerían antes de haber tenido tiempo de absorber el material circundante. El fenómeno de la evaporación del agujero negro nunca se había observado experimentalmente y, al ser desconocido para el público en general, los riesgos del experimento no pudieron ser refutados formalmente y se han convertido en un tema popular.

La 21 de marzo de 2008Sin embargo, dos personas, Walter L. Wagner y Luis Sancho, entablaron una demanda contra el CERN en la corte de Honolulu en Hawaii con el argumento de que el colisionador podría resultar dañino de una forma u otra, por ejemplo creando un agujero negro . Su denuncia se consideró admisible, pero luego fue rechazada definitivamente. Se ha presentado otra denuncia, finAgosto de 2008, en Europa, ante el Tribunal Europeo de Derechos Humanos en Estrasburgo por las mismas razones. La denuncia fue finalmente desestimada unos días después.

Como resultado de estos casos, varios investigadores, entonces el CERN , publicaron varios documentos sobre la seguridad del LHC , concluyendo que el acelerador es seguro. El principal argumento presentado es que la atmósfera superior de la Tierra, y de hecho todos los cuerpos celestes, son bombardeados continuamente con partículas muy energéticas, rayos cósmicos . La energía que desprenden estas colisiones a veces puede ser mucho mayor que la que se pone en juego en un acelerador de partículas en la Tierra como el LHC, por lo que tienen la certeza de que sean cuales sean los efectos secundarios de estas reacciones, no serán peligrosas para las personas. biosfera, de lo contrario no podría haberse desarrollado durante varios miles de millones de años.

El temor de que las colisiones de partículas elementales conduzcan a un evento catastrófico no es nuevo, se remonta a casi diez años. Cuando se encargó el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven ( Nueva York ), el físico Álvaro de Rujula y dos colaboradores habían imaginado un escenario de desastre que probablemente, en principio, causaría la destrucción de la Tierra. El caso también había generado suficiente interés en ese momento como para requerir un análisis detallado que explique la seguridad de tal experimento.

El físico Stephen Hawking , después de explicar sus razones para creer que el bosón no se observaría en 2008, habló sobre sus temores sobre el bosón de Higgs en 2014:

El bosón de Higgs tiene el preocupante potencial de volverse metaestable a energías superiores a los 100 mil millones de gigaelectrones voltios. Podría significar que el universo podría experimentar una desintegración catastrófica en el vacío, con una burbuja expandiéndose a la velocidad de la luz. […] Podría suceder en cualquier momento y no lo veríamos venir .

Las colisiones a 100 mil millones de GeV por protón requerirían un acelerador del tamaño de la Tierra.

Primer rayo en el LHC

El LHC finalmente se lanzó el 10 de septiembre de 2008. Un comunicado de prensa del CERN informaba de la inyección del primer rayo en el acelerador en estos términos: “Momento histórico en el Centro de Control: el rayo acaba de hacer una revolución completa del acelerador. Ginebra,10 de septiembre de 2008. A las 10  h  28 de esta mañana, el primer rayo del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN dio la vuelta completa al anillo de 27 kilómetros que alberga el acelerador de partículas más potente del mundo. Este evento histórico marca la transición a una nueva era de descubrimientos científicos que se viene gestando desde hace más de veinte años ” .

El LHC se apagó por primera vez unos días después, debido a un problema eléctrico que afectaba al sistema de refrigeración. Se reinició el18 de septiembre de 2008, antes de volver a ser detenido, y desde hace poco más de un año, a causa de un incidente durante una prueba. Según un comunicado de prensa del CERN, el problema se debe a una importante fuga de helio en el túnel. Esta fuga fue causada por un problema de conexión eléctrica que provocó la fusión de dos imanes.

El acelerador se reinició 23 de octubre de 2009 con la inyección de protones e iones pesados ​​y la 7 de noviembre de 2009, las primeras partículas se detectaron en el detector CMS .

La 20 de noviembre de 2009, el haz de protones vuelve a hacer varias vueltas completas del colisionador. El reinicio se realiza gradualmente a una energía de 1,2  TeV como máximo al principio. La30 de noviembre de 2009El CERN dice que ha hecho circular el rayo más energético del mundo en el LHC, dando a los protones una energía de 1,18  TeV, batiendo el récord previamente establecido por el acelerador de partículas estadounidense Tevatron .

Primeras colisiones

Lunes 23 de noviembre de 2009marca la primera colisión de haces de partículas dentro del instrumento. Al comienzo de la tarde, después de que dos haces de protones circularan en la dirección opuesta, se encontraron al nivel del detector ATLAS. Luego, más tarde en la noche, el experimento se repitió en los detectores CMS, ALICE y LHCb. La28 de noviembre de 2009, los físicos de la colaboración ALICE publicaron en arXiv , un artículo sobre las primeras colisiones de protones dentro de este detector. La8 de diciembre de 2009, se han producido las colisiones de partículas más enérgicas producidas en un acelerador. La energía total alcanzó 2,36  TeV, rompiendo el récord anterior de Tevatron.

Desde mediados dediciembre de 2009 se produjo una parada técnica que finalizó al final de febrero 2010 ; el objetivo era preparar la máquina para funcionar a 3,5  TeV por haz durante el año 2010. Esto permitió realizar colisiones con una energía total de 7  TeV en30 de marzo de 2010pero con una luminosidad de 1 × 10 27  cm −2  s −1 mucho menor que el objetivo nominal del LHC. El mes de mayo vio un aumento de seis veces en la intensidad de los haces de protones y un aumento de 60 veces en el brillo de las colisiones. Esta luminosidad siguió aumentando a lo largo del verano de 2010 aumentando el número de paquetes inyectados hasta alcanzar una luminosidad de 2 × 10 31  cm −2  s −1 en septiembre . El objetivo de brillo máximo establecido para 2010 se superó el14 de octubrecon una luminosidad alcanzada de 1,48 × 10 32  cm −2  s −1 .

La 4 de noviembre de 2010, los haces de protones se detuvieron para ser reemplazados por haces de iones pesados ​​y, en particular, haces de iones de plomo . La23 de mayo de 2011, el LHC ha alcanzado el brillo suficiente para producir 100 millones de colisiones por segundo.

A principios de 2013, se llevaron a cabo colisiones de protones con iones de plomo , como parte de una investigación sobre el estado de la materia justo después del Big Bang . Actualfebrero de 2013, el LHC volvió durante unos días a colisiones protón-protón. Luego, el LHC se apagó, todavía en funcionamientofebrero de 2013, por un largo período de trabajo de unos dos años. Este trabajo permitió que el LHC se actualizara para colisiones con registros de energía aún más altos, del orden de 13  TeV , esperados parajunio 2015. El LHC reanudó su actividad el5 de abril de 2015.

Características técnicas

Construido en el túnel de 3 metros de diámetro y 27  km de largo que albergaba la LEP (1989-2000), perforado bajo la llanura del lago Lemán entre Ginebra y el Jura , pasando bajo el país de Gex , a una profundidad media de 100 metros (entre 50 y 175 metros), el LHC es ante todo un acelerador-colisionador circular de protones (protones contra protones, o pp ). El dispositivo utiliza tecnología de sincrotrón . Los dos haces de partículas se aceleran en la dirección opuesta por el campo eléctrico de muy alta frecuencia de las cavidades y klistrones en aceleración . Giran en dos tubos gemelos donde reina el ultra-vacío , insertados en el mismo sistema magnético superconductor enfriado por helio líquido. Se utilizan imanes adicionales para dirigir los rayos a los cuatro puntos de intersección donde las colisiones permitirán interacciones entre las partículas.

El tunel

El túnel en el que se construye el LHC es el utilizado anteriormente por LEP, por razones presupuestarias. Este túnel tiene poco menos de 27 kilómetros (26.659 metros) de largo y tiene una forma aproximadamente circular. En realidad, está formado por ocho arcos de círculos llamados octantes, conectados por secciones rectas llamadas inserciones. Los ocho octantes tienen una estructura idéntica y están salpicados de imanes cuya función es doblar el haz de partículas.

Los trabajos de excavación se llevaron a cabo de 1983 a 1988, utilizando entre otras tres tuneladoras . En ese momento, era el sitio de construcción más grande de Europa con más de 1,4 millones de metros cúbicos excavados. Cabe destacar que el propio anillo representaba paradójicamente menos de la mitad de este volumen, correspondiendo el resto a los pozos de acceso, las cavernas destinadas a albergar los experimentos, y múltiples túneles y galerías de servicios.

Este emprendimiento no estuvo exento de dificultades: a pesar del tamaño del conjunto, se requería precisión, y al final la desviación del recorrido teórico no superó el centímetro. Debido a un problema geológico, la estructura no se pudo construir perfectamente en horizontal: el plano en el que se ubica el anillo tiene una pendiente del 1,4%. Y finalmente, en 1986 el túnel sufrió la intrusión de grandes cantidades de agua, arena y barro, lo que provocó la interrupción del sitio durante varios meses.

Imanes superconductores

El campo magnético necesario para doblar el haz de protones de 7  TeV es de 8,3  Tesla . Estos campos magnéticos se pueden lograr utilizando electroimanes convencionales, pero a costa de una corriente eléctrica considerable. En tiempos normales, tal corriente eléctrica estaría en el origen de una liberación de calor muy importante. La única forma de evitar este problema es utilizar el fenómeno de la superconductividad , que permite que la corriente eléctrica fluya sin disipación de calor. La superconductividad solo ocurre a una temperatura muy baja, unos pocos grados por encima del cero absoluto .

9.593 electroimanes superconductores, incluidos 1.232 imanes dipolo de curvatura, se distribuyen alrededor de los dos anillos aceleradores enrollados uno dentro del otro. Estos imanes dipolo se distribuyen homogéneamente a razón de 154 imanes por octante. Los electroimanes cuadrupolos enfocan los haces de partículas. El LHC tiene 392 imanes cuadrupolos principales.

Los electroimanes de flexión tienen 15 metros de largo, están ligeramente curvados, pesan 34 toneladas cada uno, generan un campo magnético de 8,3 tesla ( 83.000  gauss) y permiten una desviación del haz de 0,6  mm por metro. Se enrollan con un complejo cable de alambre hecho de filamentos de niobio-titanio insertados en cobre . Varios miles de filamentos de 7  µm forman el cable. Para estas bobinas se fabricaron 7.000  km de cables (1.200 toneladas). La superconductividad mantiene una corriente eléctrica de 12 000  amperios en el cable (corriente nominal). El enfriamiento criogénico a 1.9  K ( -271.3  ° C ) se logra usando 94 toneladas de helio . Se tarda seis semanas de refrigeración para llevar a los 40 000 toneladas de dispositivo en 1,9  K .

Inyectores LHC

La aceleración ocurre en etapas (pre-aceleradores) como en el Tevatron . El LHC recibe partículas de una cadena existente que comprende un acelerador lineal de la serie Linac (para Acelerador de partículas lineal ).

Instalado en 1978, el acelerador de protones de 50  MeV (Linac2) suministra un Booster ( Proton Synchrotron Booster , o PSB). Luego, los protones se inyectan a 1,4  GeV en el Sincrotrón de protones (PS), que los acelera a 25  GeV antes de pasar a través del Sincrotrón Super Protón (SPS) de 2  km de diámetro para un aumento de energía de hasta 450  GeV . Dos dispositivos, el LEIR ( Low-Energy Injector Ring ), un anillo de almacenamiento y enfriamiento de iones, y el AD ( Antiproton Decelerator ), un generador de antiprotones de 2  GeV , permiten obtener partículas enfriadas y desaceleradas.

En el modo de colisión de iones pesados, la cadena de aceleración es ligeramente diferente. Un segundo acelerador lineal, Linac3, acelera los átomos de plomo de una fuente muy pura de 500 kilogramos. Estos átomos están parcialmente ionizados, habiendo perdido hasta 29  electrones (de los 82 que contenían inicialmente). Solo se conservan los ionizados 29 veces. Luego se aceleran a una energía de 4.2  MeV por nucleón (o aproximadamente 875  MeV para el núcleo completo) y chocan con una hoja de carbono que arranca 25 electrones adicionales. A continuación pasan a través de un instrumento llamado LEIR (para iones de baja energía anillo , o un anillo de iones de baja energía) en el que se aceleran a 72  MeV por nucleón. Luego se inyectan en el PS (sin pasar por el Booster, a diferencia de los protones) que los acelera a 5.9  GeV por nucleón. Una segunda hoja acaba de arrancar todos los electrones de los iones, que pasan por el SPS que acelera los núcleos de plomo a 177  GeV por nucleón, antes de inyectarlos en el LHC lo que hace que alcancen una energía de 2,76  TeV por nucleón.

El acelerador lineal Linac 4 se inauguró el 9 de mayo de 2017. Tiene 12 metros de largo y funciona con dos cilindros de hidrógeno presurizados. El hidrógeno entra en una cámara de plasma donde la mezcla con un cesio gas transfiere electrones desde el cesio para el hidrógeno y genera H - aniones hidruro , su carga lo que les permite ser acelerados. Se llevarán a cabo numerosas pruebas antes de la conexión con el LHC en 2019. El Linac 4 participará en el proyecto HL-LHC (HL significa "alta luminosidad") que prevé aumentar la luminosidad del LHC en 5 para 2026.

Haces de protones

Los protones se aceleran a velocidades extremadamente cercanas a la de la luz. Con una energía de 7  TeV , o 7.500 veces la energía de su masa , su velocidad es aproximadamente 0.999 999 991 veces la de la luz, es decir, se mueven solo 2.7 metros por segundo más lento que la luz (299.792.455,3 en lugar de 299.792.458 metros por segundo). .

Los rayos recorren los 27  km de circunferencia unas 11.000 veces por segundo (cada protón se mueve casi a la velocidad de la luz , recorre el anillo en 89  µs ). Cada uno de ellos está formado por 2.808 grupos de partículas muy densos, lo que es una gran mejora con respecto a la LEP, que solo tenía cuatro grupos. El intervalo entre los paquetes es generalmente de 7,5 metros, o una diferencia de 25 nanosegundos entre dos pasadas de paquetes. Algunos paquetes están mucho más espaciados por varias razones de mantenimiento (inyectando nuevos paquetes o expulsando paquetes existentes). En última instancia, cada punto de colisión ve 31,5 millones de colisiones de paquetes por segundo.

Cada paquete contiene 10 11 protones, pero durante una colisión solo una pequeña parte de los protones choca. Para maximizar las posibilidades de colisión, los paquetes se comprimen en la vecindad de los detectores, para medir 16 micrones, mientras que entre los detectores, su extensión puede alcanzar varios centímetros de largo (a lo largo del haz) y un milímetro de ancho (perpendicularmente ). a la viga). Con las capacidades de enfoque del haz, se esperan aproximadamente 20 colisiones en un encuentro entre dos paquetes, o algo más de 600 millones de colisiones grabables por segundo por detector. Debido a las colisiones y las partículas que se desvían de su trayectoria durante las interacciones entre paquetes, los haces de protones se agotan gradualmente. Su vida útil es de unas pocas horas.

La potencia perdida por las partículas es proporcional a la cuarta potencia de la relación entre la energía del haz y la masa de las partículas aceleradas e inversamente proporcional al radio del acelerador. Dado que los protones son 1.836 veces más pesados ​​que los electrones, pierden de 10 a 13 veces menos energía por revolución que los electrones para una determinada energía de haz. Pero los protones son objetos compuestos ( partones ), formados por quarks y gluones, lo que hace que el estudio de las colisiones sea más complejo que en el caso de las colisiones electrón - positrón como fue el caso de LEP. Cada colisión protón-protón será de hecho una colisión entre dos componentes que pertenecen a uno y al otro protón. Los detectores observarán colisiones de quark-quark, quark-gluón o gluón-gluón.

Parámetros generales del LHC
Energía de colisión 7  TeV
Energía de inyección 450  GeV ( 0,45  TeV )
Campo magnético dipolar para hacer circular protones a 7  TeV 8,33  T
Brillo 1 × 10 34  cm −2  s −1
Corriente eléctrica del haz de protones 0,56  A
Espacio entre bocanadas 7,48  metros

Gestión informática

Durante el funcionamiento normal de la máquina, se producirán treinta millones de cruces entre los racimos de protones del acelerador cada segundo en cada detector de los cuatro experimentos del LHC (Alice, Atlas, CMS y LHCb). Cada cruce genera colisiones de partículas que luego crean una multitud de partículas secundarias (más de 6.000 trazas reconstituidas por evento de iones pesados ​​en un detector como el CMS).

El flujo de datos resultante está mucho más allá de las capacidades actuales de procesamiento y almacenamiento, razón por la cual los eventos producidos se procesan en línea mediante procesos de activación rápida, que descartan los eventos considerados de bajo interés incluso antes de que se liberen los datos.

Sin embargo, incluso después de esta primera selección que solo retiene unos pocos eventos por millón producido, esto todavía hace unas pocas decenas a algunos cientos de eventos por segundo, cada uno con un peso del orden de un megabyte para los datos brutos (unos pocos cientos de kilobytes para los datos reconstruidos). datos) para ser almacenados y luego analizados.

En total, alrededor de quince petabytes de datos deberán ser registrados y analizados cada año por el sistema informático asociado al LHC.

Como el CERN por sí solo no tiene suficiente potencia de cálculo, los institutos y físicos que trabajan en este proyecto se extienden por todo el planeta, se decidió distribuir los datos por todo el mundo para los análisis y crear una capa de software (la cuadrícula) hacer esto.

La red informática del LHC

La red de computación del LHC se ha denominado WLCG ( Worldwide LHC Computing Grid ). Desde el punto de vista del hardware, se compone de varias decenas de miles de computadoras, varias decenas de petabytes de almacenamiento en disco y cinta distribuidos en más de un centenar de centros de datos en todo el mundo. Este conjunto de hardware está coordinado por la infraestructura de software gLite ( middleware grid).

Esta cuadrícula está jerarquizada en Tiers (niveles) para distribuir los roles entre los diferentes centros de datos involucrados en WLCG. En el centro, CERN (Tier-0) es la fuente de datos (aquí es donde se encuentran el acelerador y los detectores). Inmediatamente adjunto al nivel 0 está el nivel 1, que recibe una copia de los datos primarios a través de enlaces dedicados de alta velocidad (al menos 10  gigabits por segundo ). La actividad de nivel 1 incluye siete centros europeos (incluido, para Francia, el centro informático IN2P3 en Villeurbanne, que almacenará alrededor de una décima parte de los datos), tres laboratorios estadounidenses y un laboratorio en Asia. Muchos laboratorios más pequeños (alrededor de 100 en todo el mundo) forman un segundo círculo de la estructura (Nivel 2) que proporciona la potencia de cálculo para análisis y simulaciones, así como espacios de almacenamiento temporal.

Cuando el LHC proporciona los datos, un flujo de varios gigabits por segundo llegará al Tiers-1. Estos institutos se conectan a laboratorios de terceros, a otras redes y a Internet. Un total de 140 centros informáticos, repartidos en 33 países, se verán afectados. Cuando el LHC opera a 14  TeV , los datos producidos anualmente alcanzarán los 15 millones de GB , o 15 petabytes.

Además de los datos físicos de las colisiones de haces, se agregan los datos producidos por la radiación cósmica (utilizados para probar los detectores antes de que el LHC esté operativo), así como los datos de las simulaciones por computadora realizadas en la red informática LCG.

La mayoría de los sitios involucrados en el proyecto LCG también utilizan sus recursos de TI para otros proyectos científicos. En particular, en Europa, la cuadrícula EGEE está abierta a científicos de muchas disciplinas fuera de la física de partículas mientras utilizan la misma infraestructura de software que WLCG.

Cualquiera también puede ayudar en el procesamiento de estos datos utilizando el LHC @ Home .

Detectores

Durante la construcción del túnel LEP, se crearon ocho grandes cavidades para albergar un gran detector. Estas cavidades fueron coronadas por un túnel vertical para descender la instrumentación del detector. Cuatro de estas ubicaciones albergaban detectores LEP ( ALEPH , DELPHI , OPAL y L3 ). Algunos se han reutilizado para los cuatro grandes detectores del LHC, ATLAS , CMS , ALICE y LHCb .

A estos se agregaron posteriormente otros dos detectores, de tamaño más modesto, TOTEM y LHCf . Estos últimos también se distinguen por el hecho de que no analizan el resultado de colisiones frontales entre partículas: de hecho, están interesados ​​en las llamadas "partículas de ángulo pequeño", es decir, las partículas que simplemente rozan entre sí. cuando los paquetes se cruzaron, y así fueron desviados de sus trayectorias sin chocar.

Los detectores que equipan el LHC son, por tanto, ATLAS , CMS , tótem, LHCb , ALICE , LHCf , MoEDAL y FASER . Los dos primeros, basados ​​en diferentes soluciones tecnológicas, estudiarán la física de partículas , en particular la búsqueda del bosón de Higgs y partículas supersimétricas . TOTEM, de tamaño más modesto, está destinado a la medición de la sección efectiva de protones. LHCb estudiará la violación de la simetría CP a través de partículas producidas durante las colisiones protón-protón y que contienen un quark b (de ahí su nombre). ALICE estudiará física nuclear en el modo de colisión de iones pesados. El LHCf , también de tamaño modesto, estará destinado al estudio de partículas producidas en un ángulo muy pequeño de la trayectoria de los protones incidentes, permitiendo así comprender mejor el fenómeno de interacción de los rayos cósmicos de muy alta energía con las capas superiores de la Tierra. atmósfera . La misión de MoEDAL es investigar el monopolo magnético , una partícula hipotética que lleva una carga magnética. Finalmente, FASER busca detectar partículas hipotéticas de muy baja masa de interacciones electromagnéticas o bajas.

Experimentos con haz del LHC
Octante apellido Descripción Detector LEP antiguo
1 ATLAS Detector de partículas mediante varias capas concéntricas de calorímetros.
46  m de largo, 25  m de ancho, 25  m de alto. Masa: 7.000 toneladas. 		-
1 (140 metros a cada lado de ATLAS) LHCf Estudio de las partículas producidas "hacia adelante", con el fin de simular los efectos de los rayos cósmicos .
Dos detectores de 30  cm de largo, 10  cm de ancho, 80  cm de alto. Peso: 2 × 40  kg . 		-
1 (480 metros de ATLAS) Más rápido Busque nuevas partículas ligeras y que interactúen débilmente, como fotones oscuros , partículas similares a axiones y neutrinos estériles que acompañan a las raras desintegraciones de hadrones. -
2 ALICIA Detector de interacciones entre iones pesados.
26  m de largo, 16  m de ancho, 16  m de alto. Masa: 10,000 toneladas. 		L3
3 - Mantenimiento de vigas
4 - - ALEPH
5 CMS Solenoide de muón compacto .
21  m de largo, 15  m de ancho, 15  m de alto. Masa: 12.500 toneladas. 		-
5 (a ambos lados del CMS) TÓTEM "Telescopio" que mide la sección transversal entre dos protones a 14  TeV .
Varios elementos de hasta 5  m de ancho y alto, repartidos en 440  m . Masa total: 20 toneladas. 		-
6 - Sangrado del haz ÓPALO
7 - Mantenimiento de vigas -
8 LHCb Medidas de asimetrías entre materia y antimateria.
21  m de largo, 13  m de ancho, 10  m de alto. Masa: 5.600 toneladas. 		DELPHI
8 MoEDAL Búsqueda magnética de monopolos -

Los haces se inyectan entre los octantes 1 y 2 y los octantes 1 y 8 (es decir, entre los detectores ALICE y ATLAS por un lado y LHCb y ATLAS por otro).


Descubrimientos

Dos años después del inicio de los experimentos, los investigadores que trabajaban en ATLAS anunciaron que habían observado por primera vez un estado del bottomonio teóricamente predicho, el mesón chi b .

Final abril 2012, los investigadores que trabajan en CMS anunciaron en el sitio de prepublicación arXiv el descubrimiento de un nuevo barión de tipo b excitado, llamado Ξb ​​* 0 .

La 4 de julio de 2012, CERN anuncia en conferencia que ha identificado, con un nivel de confianza del 99,99997% (5  σ ), un nuevo bosón en un dominio de masas del orden de 125-126  GeV c −2 , que parece compatible con el del Higgs bosón. Se sigue el anuncio, el17 de septiembre de 2012Por la publicación de dos artículos en la revista Physical Letters B . La15 de marzo de 2013, CERN confirma que, con toda probabilidad, es de hecho el bosón de Higgs.

El costo del LHC

Con su presupuesto de $ 9  mil millones , el LHC es el experimento científico más caro de la historia reciente.

El coste de construcción, incluidos los sueldos, del LHC fue de 8.900 millones de euros, repartidos entre el CERN (60%) y otras 608 instituciones distribuidas en 113 países.

El LHC en arte y cultura

Incluso antes de su puesta en servicio, el LHC estuvo presente en algunas obras culturales. Así, en su libro Ángeles y demonios ( Ángeles y demonios ), Dan Brown evoca el LHC.

El LHC es fundamental para la trama de la novela de Robert J. Sawyer , Flashforward . En este libro, un experimento realizado en el LHC permite a toda la humanidad vislumbrar su futuro 20 años después durante unos minutos.

El LHC también aparece en un episodio de South Park , se menciona en un episodio de la serie Eureka (en el que es superado por otro acelerador), y se menciona en un episodio de la comedia de situación The Middle, así como en The Big Bang. Teoría .

El videojuego Scribblenauts permite que aparezca el LHC escribiendo su nombre. Activarlo revela inmediatamente un agujero negro , un guiño al fenómeno mediático que rodeó su puesta en servicio.

En Steins; Gate , el LHC sería utilizado por SERN (deformación CERN ) para generar mini agujeros negros que permitan la transferencia de materia orgánica (de los humanos) a través del tiempo.

Decay es una película de terror creada en 2012 por Luke Thompson, entonces un estudiante británico en el CERN. La acción tiene lugar dentro del propio LHC. Esta película fue filmada en el sitio del CERN sin su consentimiento. Sin embargo, estos no impidieron la difusión en Internet.

El Gran Colisionador de Hadrones también ha entrado en el mundo musical:

Además, los internautas han realizado comparaciones fisionómicas entre dos hombres que se pueden ver en el complejo LHC en dos fotografías diferentes, con los personajes de Gordon Freeman y G-Man , de la serie de videojuegos Half-Life . Estas conexiones tienen sentido cuando sabemos que Gordon Freeman tiene un doctorado en física teórica y que el G-Man es visto varias veces en su lugar de trabajo, un complejo de investigación científica.

La banda de Thrash Metal Megadeth usó una fotografía del LHC para ilustrar la portada de su álbum llamado Super Collider .

El futuro del LHC

El gran colisionador de hadrones de alta luminosidad

El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC ) es una mejora del LHC decidido en 2010 y programado para estar operativo en 2026 y permitir un factor de multiplicación de 5 a 10 de colisiones.

Colisionador circular futuro

Futuristic Circular Collider (FCC en inglés Future Circular Collider ) es un estudio de diseño integral para que el proyecto suceda al Gran Colisionador de Hadrones (post-estudio del LHC) que proporciona un nuevo túnel largo de 80 100 km

Ver también

Artículos relacionados

Bibliografía

Filmografia

Notas y referencias

Notas

  1. Esta afirmación vaga sigue siendo difícil de fundamentar. Por ejemplo, los interferómetros de Very Large Array o Very Long Baseline Array son instrumentos astronómicos con una extensión espacial mucho mayor (varios miles de kilómetros para la última ciudad), pero el Gran Colisionador de Hadrones representa un volumen de instrumentos científicos significativamente mayor.
  2. Las leyes de la relatividad especial indican que la energía E de una partícula de masa m viene dada por la fórmula , donde c es la velocidad de la luz y γ está dada por , v es la velocidad de la partícula. Por tanto, su velocidad viene dada por la fórmula . Aquí, la energía del protón es de 7 TeV , mucho más alta (en un factor de 7500) que su energía de masa m c 2 de 938 MeV . La fórmula que da la velocidad se puede volver a escribir .  

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enlaces externos