El proyecto para mejorar la luminosidad del LHC pasa a la siguiente fase

Más de 230 científicos e ingenieros de todo el mundo se reunieron esta semana en el CERN para abordar el llamado LHC de Alta Luminosidad (High-Luminosity LHC), una mejora importante del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) que incrementará el potencial de descubrimiento del acelerador a partir de 2025. Tras cuatro años de diseño, el proyecto pasa ahora a su segunda fase, donde se desarrollarán prototipos industriales de varias partes del acelerador.

La luminosidad es un indicador crucial del funcionamiento de un acelerador. Es proporcional al número de partículas que colisionan en un periodo de tiempo. Como los descubrimientos en física de partículas se basan en estadísticas, cuanto mayor sea el número de colisiones, mayor probabilidad de observar una partícula o un proceso físico nunca vistos.

El LHC de Alta Luminosidad incrementará la luminosidad del acelerador en un factor 10, proporcionando 10 veces más colisiones que el LHC en el mismo periodo. De esta manera conseguirá medidas más precisas de las partículas elementales, y permitirá observar procesos inusuales que se producen bajo el nivel de sensibilidad actual del LHC. Con esta mejora, el LHC continuará ampliando los límites del conocimiento, permitiendo la exploración más allá del Modelo Estándar y del mecanismo de Brout-Englert-Higgs.

"El LHC ya proporciona colisiones entre protones a la mayor energía", dice el Director General del CERN, Rolf Heuer. "El LHC de Alta Luminosidad producirá 10 veces más colisiones rápidamente, incrementando nuestro potencial para realizar descubrimientos y transformando al LHC en una máquina para realizar estudios de precisión, el siguiente paso natural para la frontera de las altas energías".

El incremento en la luminosidad permitirá estudiar con mayor detalle nuevos fenómenos descubiertos por el LHC como el bosón de Higgs. El LHC de Alta Luminosidad producirá 15 millones de bosones de Higgs cada año, comparados con los 1,2 millones producidos entre 2011 y 2012.

Mejorar el LHC será un reto que requerirá el desarrollo de varias tecnologías de vanguardia. "Tenemos que innovar en muchos campos, desarrollando nuevas tecnologías para los imanes, la óptica del acelerador, las cavidades de radiofrecuencia superconductoras y las conexiones superconductoras", explica Lucio Rossi, director del proyecto del High-Luminosity LHC.

Alrededor de 1,2 kilómetros del LHC se sustituirán con estas nuevas tecnologías, que incluyen nuevos imanes superconductores cuadrupolos con un campo de 12 Tesla, fabricados usando un compuesto superconductor de niobio y estaño. Estos imanes concentrarán enormemente los haces de partículas para incrementar la probabilidad de las colisiones, y se instalarán a ambos lados de los experimentos ATLAS y CMS.

También habrá unas nuevas cavidades de radiofrecuencia superconductoras (llamadas "crab cavities"), que se usarán para orientar el haz antes de la colisión e incrementar así la longitud del área donde se cruzan los haces. Nuevas líneas eléctricas basadas en superconductores de alta temperatura transportarán corrientes con intensidades récord en el acelerador, hasta 100.000 amperios durante más de 100 metros.

"El High-Luminosity LHC usará tecnologías pioneras, como los imanes superconductores de niobio y estaño, por primera vez", dice el Director de Aceleradores y Tecnología del CERN, Frédérick Bordry. "No solo se incrementará el potencial de descubrimiento del LHC, sino que servirá también como 'prueba de concepto' para futuros aceleradores".

Participación española

Estas tecnologías se han desarrollado desde 2011 en el marco del HiLumi LHC Design Study, proyecto financiado parcialmente por el Séptimo Programa Marco de la Comisión Europea. Este proyecto reunió a un gran número de laboratorios de los Estados miembros del CERN, entre ellos España, así como de Rusia, Japón y los Estados Unidos. Unos 200 científicos de 20 países colaboraron en esta primera fase.

Por parte española, la entidad participante en este proyecto europeo es el CSIC mediante el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), que se ha ocupado principalmente de estudios de colimación, el sistema que homogeniza las trayectorias de los haces de partículas en el acelerador. Estos estudios son importantes para evitar el 'ruido', las interferencias de otras partículas, en los detectores y para prevenir los fenómenos de quench o 'cortocircuitos' en los imanes superconductores.

La otra institución científica española en el proyecto del LHC de Alta Luminosidad es el CIEMAT, que participa mediante un acuerdo específico con el CERN para construir un prototipo de un imán superconductor corrector. También cabe destacar la contribución del CIEMAT al estudio de las conexiones superconductoras y los sistemas de vacío, y de la Universidad de Oviedo en la planificación y producción de componentes para el HL-LHC.

La española Isabel Béjar Alonso es la coordinadora técnica del proyecto High Luminosity LHC, y responsable de uno de los paquetes de trabajo en los que se divide, el de Infraestructuras e Ingeniería Civil.

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