LHC

Large Hadron Collider (LHC)

La física de las partículas es, ante todo, una ciencia experimental. ¡ Observar partículas minúsculas piden los microscopios muy gruesos!
El gran colisionador de hadrones es un instrumento gigantesco y científico construye bajo la planicie del lago Leman entre Ginebra y el Jura a caballo sobre la frontera franco-suiza, a una profundidad comprendida entre 50 y 175 metros subterráneos.
El CERN (Conseil Européen pour le Recherche Nucléaire) aprobó la construcción del LHC el 16 de diciembre de 1994 que ha sido puesto en funcionamiento el 10 de septiembre de 2008.
En noviembre de 2000, el gran colisionador electrón-positrón (LEP) cede su sitio, en el mismo túnel, el LHC. Este acelerador de partículas es fabuloso 'juguete' colosal con cual las centenas de físicos estudian las partículas más pequeñas, los componentes fundamentales de la materia.
Este complejo es formado por una sucesión de aceleradores de energías siempre crecientes.

Cada uno inyecta un haz en la máquina siguiente, que toma el relevo para llevar este haz a una energía todavía más elevada, etcétera. Es el más poderoso en el mundo(gente) que sobrepasa a Tévatron du Fermilab en Chicago (Estados Unidos).
El LHC construye en un túnel de 3 metros de diámetro y de 26,659 km de circunferencia, va a revolucionar nuestra comprensión del universo, del minúsculo al infinitamente grande. El LHC es un acelerador - colisionar circular de protones. El sistema de aceleración del LHC deberá llevarles la energía a 7 tipos de TeV (1 teraelectrón voltio = 1,60217646 × 10-7 julios).

Imagen: El LHC se sitúa bajo la planicie lémanica. Visita virtual del LHC aquí.

¿ Que es que un colisionador?

Los aceleradores de partículas son unos instrumentos que utilizan campos eléctricos y\o magnéticos para traer partículas cargadas eléctricamente a velocidades muy elevadas.
En otros términos comunican la energía a las partículas. El colisionador es una máquina dónde los haces circulan en sentidos opuestos antes de chocar contrariamente a otros tipos de aceleradores en los cuales un haz choca con un blanco fijo.
Estos aceleradores colisionadores son semejantes a los sincrotrones porque las partículas circulan a lo largo de una trayectoria circular.
Ambos haces de partículas lanzadas al 99.9999991 % de la velocidad de la luz, van a efectuar 11 245 veces la vuelta del acelerador por segundo, en sentido opuesto.

Estos haces de partículas giran en dos tubos emparejados donde reinado un ultra vacío, insertando en el mismo sistema magnético supra conductor enfriado por el helio líquido.

Imagen: Esta imagen muestra la curvatura débil del túnel del LHC de 26,659 km de circunferencia.
crédito : CERN

Imanes -271°C

Los ocho sectores del LHC son mantenidos a una temperatura de explotación de-271,2°C, es decir 1,9 grado por encima del cero absoluto. Uno de los progresos técnica los más importantes de finales del siglo 20, fue la maestría de los supra conductores destinados a los imanes y a las cavidades aceleradores. Ciertos metales enfriados a una temperatura próxima del cero absoluto (-273 °C) pierden entonces toda resistividad eléctrica y pues no hay más energía perdida por disipación de calor, lo que permite hacer circular allá partículas sin pérdida de potencia.
Estos imanes enfriados cuyo papel es doblar el haz de partículas son utilizados para dirigir estos haces a los cuatro puntos de intersección donde las colisiones permiten interacciones entre las partículas. Los haces de partículas subatómicas de la familia del hadrones (protones o iones de plomo) circulan pues en sentido opuesto dentro del acelerador circular, almacenando la energía a cada torre(vuelta).

Si se introduce en colisión dos partículas de direcciones opuestas, cada una que tiene la energía E, la energía en el centro de masa será igual a 2 E.
En el CERN, en Ginebra, el Protón Súper Sincrotrón (SPS) alcanza energías de 450 tipos de GeV solamente, si se puede decir con relación a los 7 a TeV del LHC. Introduciendo en colisión frontal ambos haces a una velocidad próxima de la de la luz y a energías muy altas, el LHC recrea las condiciones que existían justo después de Big Bang. Los equipos de físicos pueden así analizar las partículas nacidas de estas colisiones.

Imagen: Alimentaciones criogénicas del LHC
crédito : CERN

Una nueva era de la física

Existen numerosas prospecciones en cuanto a los resultados de estas colisiones. Los físicos esperan que esta nueva era de la física sus anuncie nuevos datos sobre el funcionamiento del Universo. Para comprender las leyes fundamentales de la Naturaleza, los físicos se apoyan en el modelo estándar que describe sumamente la física de las partículas. Este modelo predice la existencia de una partícula, llamada bosón de Higgs Le boson de Higgs está una partícula predicha por el " modelo famoso estándar " de la física de las partículas elementales. Constituye el eslabón faltante de este modelo. En efecto, esta misma partícula es supuesta explicar el origen de la masa de todas las partículas del Universo (incluido), pero a pesar de este papel fundamental, todavía tarda en descubrir ya que ninguna experiencia lo observó por el momento de modo indiscutible. , cuya detección es uno de los objetivos prioritario del LHC. Los numerosos argumentos teóricos favorecen la existencia de lo que se llama la simetría súper, que predice que cada tipo de partícula conocida posee un alter-ego llamado súper compañero.
La puesta en evidencia de la súper simetría es la segunda puesta del LHC. Otra puesta es la puesta en evidencia de la materia negra en la que se piensa que constituye una gran parte de la masa del universo. La teoría de las cuerdas predice la existencia de dimensiones suplementarias además de las tres dimensiones de espacio que conocemos.

Ciertas colisiones realizadas en el LHC indirectamente podrían ponerlos en evidencia, particularmente por la formación de agujeros negros microscópicos.
Si la materia y la antimateria que existían en cantidades planas en el momento de Big Bang se aniquilaron, que es el fenómeno destinado bariogénesis, que generó esta demasía ínfima de materia sobre la antimateria que se queda hoy en el espacio.
El LHC podría también encontrar una respuesta a esta cuestión.
Los núcleos atómicos están constituidos por protones y por neutrones compuestos de entidades elementales llamadas quarks. Los quarks existen sólo por grupos de 2 o 3 partículas (3 en el caso de los neutrones y de los protones).
A temperatura muy alta, los quarks pueden existir aisladamente, es lo que el LHC intentará poner en evidencia.

Imagen: Centro de control del LHC crédito : CERN

Trayecto de los protones y los iones plomo

Cada haz de protones es constado de cerca de 3000 paquetes de partículas, cada uno de ellos que contienen 100 mil millones de partículas.
Las partículas son por muy pequeñas como la probabilidad de una colisión es ínfima. En el momento en el que los paquetes se cruzan, se produce sólo una veintena de colisiones entre los 200 mil millones de partículas. Esto dice, los paquetes se cruzan a la cadencia de cerca de 30 millones de veces por segundo; así, el LHC genera hasta 600 millones de colisiones por segundo. Un haz puede circular durante las 10 horas, recorriendo más de 10 mil millones de kilómetros, es decir dos veces la distancia Tierra - Neptuno. A una velocidad próxima de la de la luz, un protón cumple 11 245 vueltas por segundo en el LHC. He aquí la historia breve de un protón acelerado por el complejo de aceleradores del CERN : átomos de hidrógeno son extraídos de una botella de hidrógeno ordinario. Conseguimos protones arrancando de átomos de hidrógeno su electrón en órbita. Los protones pasan de Linac2 en el inyector del Sincrotrón a protones (PS Booster, PSB) a una energía de 50 tipos de MeV.
El PSB se los acelera a 1,4 tipos de GeV. El haz luego es inyectado en el Sincrotrón en protones (PS), donde su energía es llevada a 25 eV. Luego los protones son enviados al súper sincrotrón a protones (SPS), donde son acelerados en 450 tipos de GeV. Por fin, son trasladados en el LHC (en el sentido de las agujas de un reloj y a la inversa, con tiempo de relleno de 4 min 20 por anillo), donde son acelerados durante 20 minutos por ser llevados a la energía nominal de 7 tipos de TeV. En condiciones normales de explotación, los haces circulan durante varias horas por los tubos del LHC.
Los protones llegan en el LHC en forma de paquetes, que son preparados en las máquinas más pequeñas.

Imagen: El LHC es construido en un túnel de 3 metros de diámetro y de 26,659 km de circunferencia.
A una velocidad próxima de la de la luz, un protón cumple 11 245 vueltas por segundo en el LHC.
crédito CERN

Historia de iones plomo

El complejo de aceleradores acelera, no sólo los protones, sino que también los iones plomo.
Los iones plomo son producidos a partir de una muestra de plomo de extremo pureza calentado a una temperatura de aproximadamente 500°C.
Los iones tan producidos llevan cargas muy variables, con un máximo en las afueras de Pb29 +.
Estos iones son seleccionados luego acelerados a una energía de 4,2 MeV / u (energía por nucleón), antes de pasar a través de una hoja de carbono que los "pela" y los transforma para la inmensa mayoría en Pb54 +.
Una vez acumulado, el ion Pb54 + es acelerado a 72 MeV / u en el LEIR (Anillo de iones de energía baja), luego trasladado en el PS.

Éste acelera el haz para llevarlelo a 5,9 GeV / u y lo envía al SPS, después de haberle hecho atravesar una segunda hoja que totalmente lo "pela", produciendo Pb82 +.
El SPS le lleva el haz a 177 GeV / u, luego lo inyecta en el LHC, que le lo acelera a 2,76 TeV / u.

Video : Large Hadron Collider (LHC). Fuente CERN

Alice, 12 tipos de DVD de datos por minuto

El detector de partículas Alice está en Francia, oficialmente ha sido aprobado en febrero de 1997 y se instala en su cueva en junio de 2001.
Alrededor de uno de cuatro puntos de colisiones del LHC se encuentra el detector de partículas Alice (A Ion Collider Experiment Ancho) que estudia la materia nuclear en un estado extremo de temperatura y de densidad, la 'sopa' de quark (últimos constituyentes de los núcleos atómicos) y de gluón (el gluón transmite la interacción fuerte entre los quarks) que habría existido, algunos microsegundos después de Big Bang.
El detector debe poder separar las numerosas partículas producidas a cada colisión plomo-plomo.
Ciertas colisiones pueden generar decenas de millares de rastros y pues es necesario poseer una fuerza muy grande de cálculo para su reconstrucción.

Alice va a producir cerca de 12 tipos de DVD de datos por minuto.
Los flujos de datos producidos por la experiencia Alice será la más importante de toda la experiencia LHC. Habrá que administrar y tratar todos estos datos.

Imagen: Alice mide 16 m en altura y 26 m en longitud,
crédito : CERN

Atlas y el bosón de higgs

El detector de partículas Atlas está en Suiza.
El acuerdo para la concepción de este imán toroide, la bobina más grande y magnética en el mundo, ha sido firmado en 1996 y Atlas ha sido construido en febrero de 1999.
La excavación de la cueva más grande y experimental en el mundo (35 m de ancho, 55 m de longitud y 40 m de altura) se acabó en junio de 2002 para acoger las 6000 toneladas del detector Atlas desde noviembre de 2003.
Alrededor de uno de cuatro puntos de colisiones del LHC se encuentra el detector gigante de partículas Atlas (En Toroide LHC ApparatuS) que podría descubrir nuevas partículas elementales como el bosón de Higgs Le boson de Higgs está una partícula predicha por el " modelo famoso estándar " de la física de las partículas elementales. Constituye el eslabón faltante de este modelo. En efecto, esta misma partícula es supuesta explicar el origen de la masa de todas las partículas del Universo (incluido), pero a pesar de este papel fundamental, todavía tarda en descubrir ya que ninguna experiencia lo observó por el momento de modo indiscutible. , una partícula vanamente buscada hasta este día, encontrar partículas súper simétricas o acceder a dimensiones suplementarias del espacio.

Atlas ha sido concebido como un detector polivalente que procura identificar y medir precisamente las características (energía, velocidad, dirección) partículas producidas en el momento de las colisiones.
Altura como un edificio de seis pisos, este aparato gigante está situado a 100 metros subterráneos, con el fin de estar al nivel del cruzamiento de ambos haces de protones del acelerador.
Su cueva podría contener el nave de Nuestra Dama de París.

Imagen: Atlas mide 35 m de ancho, 55 m de longitud y 40 m de altura,
crédito : CERN

CM hacia la 5a dimensión y más

El detector CM está en Francia.
El 22 de enero de 2008, las 1430 toneladas del último elemento de CM descendieron en su cueva que marcaba puesta en funcionamiento final de CM.
Sobre uno de cuatro puntos de colisiones del LHC, en Cessy en Francia, se encuentra el detector CM (COMPACT MUON SOLENOID) que podría descubrir nuevas partículas elementales como el bosón de Higgs que no ha observado todavía jamás y vanamente no buscado hasta este día, encontrar partículas súper simétricas o poner en evidencia dimensiones suplementarias del espacio.
CM posee el solenoide supra conductor más grande y más poderoso jamás construido.
El campo magnético, de una intensidad excepcional (4 teslas, es decir 100 000 veces el campo magnético terrestre) debe desviar las partículas cargadas.

CM tiene para misión de reconocer con puntualidad y finura cada tipo de partícula producida y seleccionar los acontecimientos interesantes.
CM de 21,5 metros de longitud y tiene un diámetro de 15 metros y de una masa de 12 500 toneladas es alojado en una cueva de 27 metros de anchura sobre 53 metros de longitud y 24 metros de altura.
Ha sido cavada en las capas húmedas, que hizo falta congeladas en inyectando salmuera a-23 °C, luego nitrógeno líquido a-80 °C.

Imagen: CM medida 21,5 m y tiene un diámetro de 15 m y de una masa de 12 500 toneladas,
crédito : CERN

LHCb el detector de "belleza"

El detector LHCb está en Francia. La reunión se presenta en enero de 2003 con la bajada de dos bobinas del imán, en la zona experimental subterránea. Alrededor de uno de cuatro puntos de colisiones del LHC se encuentra el detector LHCb Large Hadron Collider beauty experiment que estudia la asimetría materia - antimateria acosando específicamente las partículas que contienen un quark.
El último objetivo es comprender mejor por qué el Universo está constituido exclusivamente por materia, mientras que a su nacimiento materia y antimateria eran presentes aparte planas.
Debe realizar la mejor detección posible de las partículas "bellas" (que contiene un quark b) y de sus productos de desintegración.

La experiencia LHCb se distingue por su capacidad de reconstruir muy precisamente el lugar donde estas partículas se desintegran.
Las partículas dichas sobre "belleza" tienen una vida útil importante a la escala de las partículas ya que van a recorrer algunos milímetros antes de desintegrarse.

Imagen: LHCb, el detector de belleza en su cueva.
crédito : CERN

Cifras récords

120 megawatt,
Cerca de 120 MW (230 MW para todo el CERN), lo que corresponde más o menos a la fuerza eléctrica consumida por el conjunto de las personas de la casa del cantón de Ginebra. Suponiendo que el acelerador funcione 270 días al año (la máquina se para durante el período de invierno), el consumo anual de energía del LHC en 2009 debería ser de cerca de 800 000 tipos de MWh.
Esta cifra comprende el consumo de la máquina, de sus infraestructuras y de las experiencias.

El coste anual total para hacer funcionar el LHC será entonces de cerca de 19 millones de euros.
El CERN es principalmente alimentado electricidad por la compañía francesa EDF mientras que las compañías suizas EOS y SIG Swiss abastecerán de la electricidad en caso de penuria lado francés.

9 teslas,
Los imanes de curvatura, los dipolos, integran dos imanes, para ambos tubos a vacíos dónde los protones circulan en sentido opuesto.
Estos imanes, de 15 m de longitud y de cerca de 35 toneladas, producen en su corazón un campo magnético de 9 teslas, cerca de 200 000 veces un campo magnético terrestre.

700 m3 del helio líquido,
Los imanes primero son enfriados a 80 K con la ayuda de 12 500 toneladas de nitrógeno líquido, luego a 1,9 K gracias a 700 m3 del helio líquido. En abril de 2007, un octavo del anillo es enfriado al helio líquido, a (1,9K 271,2°C), más frío que el espacio intersideral.
El sector 7-8 de 3,3 km de longitud se hace así la instalación más grande supra conductora en el mundo.

Imagen: El helio líquido y fluido criogénico, enfría los imanes supra conductores del LHC a-271°C.

1,1 giga-octetos por segundo,
Un récord de salvaguardia de datos sobre fajas es pegado en mayo de 2003, con un índice de transferencia de 1,1 giga-octetos por segundo durante varias horas.
Esto equivale a grabar una película en DVD cada cuatro segundo.
Los datos producidos por el año alcanzan, los 15 peta octetos.

N.B.: 1 peta = 10¹⁵ o 1 000 000 000 000 000 octetos.

2,38 giga bits por segundo,
Un récord de transferencia de datos es pegado sobre más de 10 000 km entre el CERN y California, con un gasto de 2,38 giga bits por segundo durante más de una hora. Esto equivale a trasladar 200 tipos de película DVD en la una hora.

Tabla : cantidades y unidades utilizadas en la informática, así como los nombres y símbolos de estas cantidades y unidades. La norma es publicada por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), y es parte del grupo de normas conocidas como ISO / IEC 80000, publicada conjuntamente por la IEC y la Organización Internacional de Normalización (ISO).

14 tipos de TeV de energía creada,
Las más altas energías jamás alcanzadas por el hombre, 7 tipos de TeV por haz de protones en nominal.
La energía de colisión de 14 tipos de TeV, es siete veces más elevada que la del acelerador más poderoso del mundo, Tevatron del laboratorio fermi en Batavia en Illinois al oeste de Chicago, a los Estados Unidos.

1 tera electrón voltio = 1,60217646 × 10-7 julios.

Imagen: Tevatron y los anillos del inyector principal.

El ultra vacío,
Con el fin de evitar colisiones con las moléculas presentes de gas en el acelerador, los haces de partículas viajan en una cavidad tan vacía como el espacio interplanetario, lo que se llama el ultra vacío. Tres sistemas de vacío equipa en el LHC.
La presión interna del LHC es 10-13 atmósfera. La presión en los tubos de haz del LHC cerca de diez veces será más débil que sobre la Luna.

Más de 9000 físicos,
El LHC reúne la concentración más grande de investigadores gracias a la colaboración de sus Estados miembro : Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Grecia, Hungría, Italia, Noruega, Países Bajos, Polonia, Portugal, la República eslovaca, la República checa, el Reino unido, Suecia y Suiza.
La Federación de Rusia, Israel, Turquía, Yugoslavia, la Comisión de las Comunidades europeas y la UNESCO tienen el estatuto de observador.

Y ahora...

Los aceleradores se volvieron cada vez más poderosos, cada vez más caros y pues cada vez menos numerosos : dos en Europa, dos en los Estados Unidos y una en Japón.
El proyecto LHC de 3 mil millones de euros es un éxito tecnológico europeo que deberá responder a las cuestiones lo suspende del modelo estándar (bosón de higgs, súper simetría , materia negra, dimensiones suplementarias de la materia, los agujeros negros, bariogénesis).
La respuesta a estas cuestiones necesita un grueso esfuerzo teórico pero tan experimental, es por eso que la comunidad de los físicos espera con impaciencia primeras los resultados de Large Hadron Collider que necesariamente aportará nuevos conceptos.

Imagen: La puesta en funcionamiento del LHC que se efectuó el 10 de septiembre de 2008, fue decepcionante para los telespectadores no advertidos que no pudieron ver sólo este pequeño punto blanco sobre la pantalla vídeo (abajo a la izquierda al lado).
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