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Vuelve el LHC: estudiará la supersimetría y dimensiones extra a la nuestra

El LHC se pone en marcha otra vez en marzo, con mejoras y mayor cantidad de bosones de Higgs para poder hacer nuevas investigaciones 

Uno de los focos está puesto en la supersimetría, la teoría que dice que por cada particula hay otra supersimétrica y que podría desvelar el origen de la materia oscura

Aunque pueda sonar a ciencia ficción, también se investigan dimensiones espaciales adicionales

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Técnico trabajando en el mantenimiento y mejora del LHC (Fuente CERN).

Técnico trabajando en el mantenimiento y mejora del LHC (Fuente CERN).

El LHC, el Gran Colisionador de Hadrones que se encuentra en el CERN, el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, en la frontera francosuiza cerca de Ginebra, está a punto de ponerse en marcha de nuevo.

Después de más de dos años de parón, el 23 de marzo los protones volverán a recorrer unas 11.000 veces por segundo los 27 kilómetros que forman el anillo a velocidades cercanas a la de la luz. Durante estos dos años, cientos de ingenieros y técnicos han realizado importantes tareas de mantenimiento de la máquina que aseguran su correcto funcionamiento durante este segundo periodo que se espera que dure hasta 2018.

Descubrimientos del LHC

El 4 de julio de 2012 se anunció el descubrimiento ansiado del  bosón de Higgs. Han hecho falta más de cuarenta años para que la predicción teórica llevada a cabo por el físico escocés Peter Higgs, se hiciera realidad (y con ella su premio Nobel). Hemos necesitado aceleradores tan potentes como el LHC para dar con la pieza clave del Modelo Estándar de la física de partículas.

Representación artística de una colisión en uno de les experimentos del LHC (Fuente:  CERN)

Representación artística de una colisión en uno de les experimentos del LHC (Fuente: CERN)

No obstante, el LHC ha llevado a cabo muchos más experimentos que no tienen relación directa con el bosón de Higgs. Se han realizado medidas precisas de fenómenos ya conocidos como las masas del top quark o del ángulo de violación de la simetría CP. A su vez, en el experimento LHCb, uno de los cuatro experimentos que se encuentran en el LHC, se han descubierto nuevas resonancias, es decir, nuevas configuraciones que dan lugar a nuevos tipos de partículas jamás observadas hasta el momento. Es mucho todavía lo que nos queda por descubrir en los próximos años. Citando a Martí i Pol: "Tot està per fer i tot és possible", (todo está por hacer y todo es posible). 

La supersimetría y el origen de la materia oscura

El bosón de Higgs ha levantado mucha expectación desde entonces, así como lo ha hecho el propio LHC. Todos tenemos los ojos puestos en este segundo periodo donde quedan muchas cosas por descubrir. El incremento de energía nos va a permitir generar una cantidad todavía más grande de bosones de Higgs, de manera que vamos a poder incrementar la precisión de nuestros experimentos y así desvelar el el origen concreto del Higgs. Como dice la expresión británica, "el demonio está en los detalles".

Otro de los grandes misterios por resolver es la existencia de supersimetría. La supersimetría es una teoría que complementaría el actual Modelo Estándar de la física de partículas y que explicaría algunas de las cuestiones que todavía quedan por explicar. Dicha teoría dice que por cada partícula que hoy conocemos existe una correspondiente partícula supersimétrica.

Si se confirmase, la supersimetría podría desvelar cuál es el origen de la materia oscura que compone alrededor del 23% de todo lo que hay contenido en el Universo. También permitiría solucionar algunos problemas asociados con el bosón de Higgs y que hoy siguen siendo un misterio.

¿Por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria? Esa es la pregunta que intentan responder los científicos de algunos de los experimentos que tienen lugar en el CERN. Creemos que el Universo se debería haber creado con la misma cantidad de materia que de antimateria.

No obstante, la parte que observamos del Universo está en su totalidad compuesta por materia ordinaria. ¿Qué ha pasado con la antimateria proveniente del Big Bang? Creemos que en realidad inicialmente hubo una pequeña descompensación y que por cada mil millones de partículas de antimateria, se crearon mil millones y una partículas de materia. Toda materia se aniquiló con la antimateria menos esas partículas que son las que forman hoy nuestro Universo.

El aumento de energía en el LHC dará lugar a una mayor producción de partículas de antimateria que aportarán una información valiosísima para intentar dar respuesta a esta cuestión.

Más allá de la cuarta dimensión

Si entramos en terrenos que hasta hoy han sido propiedad de la ciencia ficción, encontramos investigaciones sobre dimensiones adicionales. Nuestro universo podría estar compuesto por más dimensiones además de las tres a las que estamos acostumbrados. Dimensiones extra a las cuales no tenemos acceso, pero la gravedad por ejemplo, sí podría tenerlo. Estas dimensiones extra podrían detectarse como resultado de la detección de nuevas partículas que solamente tendría sentido considerar si existen nuevas dimensiones por las cuales pueden moverse. Si ese fuese el caso, podríamos llegar a entender por qué la gravedad es una fuerza tan débil comparada con el resto de fuerzas de la naturaleza.

En los primeros instantes del Universo, justo después del Big Bang, el estado de la materia no era exactamente como el que conocemos hoy en día. Toda la materia formaba una sopa cósmica que hoy conocemos como plasma de quarks y gluones, los componentes de los protones y neutrones. Para recrear esa sopa se hacen colisionar núcleos de plomo. A mayor es la energía de la colisión, más cerca del momento cero podemos observar.

Más colisiones, más partículas, más información

Para llevar a cabo este nuevo conjunto de experimentos, la energía a la cual van a circular los protones en el LHC se va a incrementar considerablemente, pasando de los 4 teraelectronvoltios (TeV) a los 6.5 TeV. Esto nos permitirá explorar regiones nunca vistas y nos da la oportunidad de analizar un poco más de cerca los instantes posteriores al Big Bang. Este incremento de energía ha requerido más de dos años de parón técnico en los que se han llevado tareas de mantenimiento y sustitución de algunas de las partes fundamentales del acelerador.

Entre otras muchas tareas, se han substituido 18 de los 1232 imanes superconductores que componen el anillo y que permiten curvar los protones en su trayectoria circular. Se han revisado todas y cada una de las interconexiones entre estos imanes y se han instalado sistemas de seguridad que previenen de incidentes como el que ocurrió en 2008 y que retrasó la puesta en marcha del LHC casi dos años más.

Desde el punto de vista operacional, los haces de protones van a ser más pequeños todavía en los puntos de colisión. De esta manera se incrementa el número de colisiones que se producen cuando los dos haces colisionan enviando así mucha más información al detector. A su vez, se va a reducir el tiempo que separa dos paquetes consecutivos de protones, pasando de 50 a 25 nanosegundos (una mil millonésima de segundo).

Al aumentar su energía, los protones emitirán más radiación y los componentes electrónicos del acelerador han de estar preparados para soportar altas dosis. Para ello, se han realizado más de 40.000 pruebas y se han reemplazado muchos de los materiales por otros más resistentes a la radiación.

El aumento de energía también conlleva que las cavidades de radiofrecuencia, que son las encargadas de acelerar el haz mediante campos eléctricos, tengan que funcionar a un voltaje más alto.

Otro de los sistemas que se han revisado ha sido el sistema de vacío. La tubería por la cual circulan los protones debe contener el mínimo número de moléculas de aire para evitar que estas choquen y el haz desintegre rápidamente. Para ello, un potente y complejo sistema de vacío no solamente elimina el aire del interior del LHC si no que se encarga también de eliminar las partículas que el haz va arrancando de las paredes metálicas a su paso. Mantener este alto vacío va a ser uno de los grandes retos de los próximos años.

La nueva era de los exploradores

La ciencia sigue hoy los pasos de los antiguos exploradores. Aventurándonos en lo desconocido y abriéndonos camino en zonas nunca antes contempladas, nos adentrándonos poco a poco en la era del conocimiento.

No sabemos si vamos a encontrar lo que buscamos. Es más, nos encantaría encontrar algo que nunca antes nos habíamos imaginado. La conciencia de nuestra ignorancia es lo que nos hace humanos. Y también lo que nos hace avanzar cada día, como decía Carl Sagan: “el estudio del Universo es un viaje para autodescubrirnos”.

Las modificaciones de la etapa 2

LHC

  1. Nuevos imanes: De los 1232 imanes dipolares superconductores que componen el LHC, 18 han sido reemplazados.
  2. Conexiones reforzadas: Más de 10.000 interconexiones eléctricas entre los imanes del LHC han sido reforzadas con vias de escape en caso de fallo.
  3. Protección para asegurar la superconductividad: El sistema de protección contra la pérdida del estado de superconductividad de los imanes ha sido mejorado. Si el imán aumenta de temperatura pasa a no ser conductor de la electricidad generando así grandes cantidades de energía. Para evitarlo, un sistema de protección disipa esta energía en caso de incidente.
  4. Haces más energéticos: En 2012, la máxima energía a la que se producían colisiones eran 8 TeV, 4 TeV por haz de protones. En 2015, la energía de colisión se aumentará hasta los 13 TeV, 6.5 TeV por haz. De esta manera se abre la puerta a un nuevo rango de energías en las que podrían residir nuevas partículas.
  5. Haces más pequeños: Para aumentar la probabilidad de que dos protones choquen en los puntos de interacción, los haces deben ser muy pequeños. En 2015 el tamaño de los haces se reducirá con respecto al 2012 y así se podrán conseguir más colisiones que los experimentos puedan estudiar.
  6. Menos protones pero más juntos: El número de protones por paquete se reducirá un 30% aproximadamente. Los detectores tiene problemas cuando se producen muchas colisiones a la vez y mediante esta reducción la vida les resulta mucho más fácil. Para compensar la reducción de la carga, la distancia entre dos paquetes de protones ser reduce a la mitad, pasando de 50 nanosegundos de separación a tan sólo 25 nanosegundos.
  7. Mayor voltaje: Las cavidades de radiofrecuencia, que imprimen energía a los protones y los aceleran, operarán a un voltaje más alto para incrementar así la energía de los haces.
  8. Criogenia mejorada: Para que los imanes mantengan su estado superconductor, necesitan estar refrigerados a -270 grados centígrados mediante un baño de helio líquido. El sistema en su totalidad ha sido revisado, el sistema de control ha sido mejorado y la planta de enfriamiento ha sido renovada.
  9. Electrónica resistente a la radiación: La electrónica de todo el LHC sufre altas dosis de radiación así que debe ser muy resistente. Todo el sistema electrónico a sido revisado y mejorado y se han llevado a cabo más de 400.000 tests para verificar su correcto funcionamiento.
  10. Vacío más seguro: Dentro de la tubería por la que circulan los haces no puede quedar ninguna molécula de aire que pueda ser interceptada por el haz creando así una serie de problemas. Para ello se precisa de un complejo sistema de vacío que permite extraer no solo esa moléculas de aire, sino también las partículas que el haz va arrancando de la superficie metálica de la tubería. Nuevos recubrimientos del interior de la tubería ayudan a reducir esta emisión de nuevas partículas en el interior.

 

 

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