El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ) es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía del mundo [1] [2] Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) entre 1998 y 2008 en colaboración con más de 10.000 científicos y cientos de universidades y laboratorios en más de 100 países. [3] Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros (17 millas) de circunferencia y hasta 175 metros (574 pies) de profundidad debajo de la frontera entre Francia y Suiza , cerca de Ginebra .
Las primeras colisiones se lograron en 2010 con una energía de 3,5 teraelectronvoltios (TeV) por haz, aproximadamente cuatro veces el récord mundial anterior. [4] [5] El descubrimiento del bosón de Higgs en el LHC se anunció en 2012. Entre 2013 y 2015, el LHC se cerró y se actualizó; después de esas actualizaciones alcanzó 6,5 TeV por haz (13,0 TeV de energía de colisión total). [6] [7] [8] [9] A fines de 2018, se cerró para mantenimiento y actualizaciones adicionales, y se reabrió más de tres años después, en abril de 2022. [10]
El colisionador tiene cuatro puntos de cruce donde chocan las partículas aceleradas. Nueve detectores, [11] cada uno diseñado para detectar diferentes fenómenos, están ubicados alrededor de los puntos de cruce. El LHC colisiona principalmente haces de protones, pero también puede acelerar haces de iones pesados , como en las colisiones plomo -plomo y protón -plomo. [12]
El objetivo del LHC es permitir a los físicos probar las predicciones de diferentes teorías de la física de partículas , incluyendo la medición de las propiedades del bosón de Higgs , [13] la búsqueda de la gran familia de nuevas partículas predichas por las teorías supersimétricas , [14] y el estudio de otras cuestiones no resueltas en la física de partículas .
El término hadrón se refiere a partículas subatómicas compuestas formadas por quarks unidos por la fuerza fuerte (de forma análoga a la forma en que los átomos y las moléculas se mantienen unidos por la fuerza electromagnética ). [15] Los hadrones más conocidos son los bariones , como los protones y los neutrones ; los hadrones también incluyen mesones como el pión y el kaón , que se descubrieron durante los experimentos con rayos cósmicos a finales de los años 1940 y principios de los años 1950. [16]
Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que une dos haces de partículas opuestas de manera que las partículas colisionen. En física de partículas , los colisionadores, aunque son más difíciles de construir, son una poderosa herramienta de investigación porque alcanzan una energía del centro de masa mucho mayor que las configuraciones de objetivo fijo . [1] El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico y las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Muchos de estos subproductos se producen solo por colisiones de alta energía y se desintegran después de períodos de tiempo muy cortos. Por lo tanto, muchos de ellos son difíciles o casi imposibles de estudiar de otras maneras. [17]
Muchos físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones ayude a responder algunas de las preguntas fundamentales abiertas en física, que conciernen a las leyes básicas que gobiernan las interacciones y fuerzas entre partículas elementales y la estructura profunda del espacio y el tiempo, particularmente la interrelación entre la mecánica cuántica y la relatividad general . [18]
Estos experimentos con partículas de alta energía pueden proporcionar datos que respalden diferentes modelos científicos. Por ejemplo, el Modelo Estándar y el modelo sin Higgs requerían datos de experimentos con partículas de alta energía para validar sus predicciones y permitir un mayor desarrollo teórico. El Modelo Estándar se completó con la detección del bosón de Higgs por el LHC en 2012. [19]
Las colisiones del LHC han explorado otras cuestiones, entre ellas: [20] [21]
Otras cuestiones abiertas que pueden explorarse mediante colisiones de partículas de alta energía incluyen:
El colisionador está contenido en un túnel circular, con una circunferencia de 26,7 kilómetros (16,6 millas), a una profundidad que varía de 50 a 175 metros (164 a 574 pies) bajo tierra. La variación en la profundidad fue deliberada, para reducir la cantidad de túnel que se encuentra debajo de las montañas del Jura y evitar tener que excavar un pozo de acceso vertical allí. Se eligió un túnel para evitar tener que comprar terrenos costosos en la superficie y aprovechar el blindaje contra la radiación de fondo que proporciona la corteza terrestre . [30]
El túnel de 3,8 metros de ancho revestido de hormigón, construido entre 1983 y 1988, se utilizó anteriormente para albergar el Gran Colisionador de Electrones y Positrones . [31] El túnel cruza la frontera entre Suiza y Francia en cuatro puntos, y la mayor parte del mismo se encuentra en Francia. Los edificios de la superficie albergan equipos auxiliares como compresores, equipos de ventilación, electrónica de control y plantas de refrigeración.
El túnel del colisionador contiene dos líneas de luz paralelas adyacentes (o tubos de luz ) cada una de las cuales contiene un haz, que viaja en direcciones opuestas alrededor del anillo. Los haces se cruzan en cuatro puntos alrededor del anillo, que es donde tienen lugar las colisiones de partículas. Unos 1.232 imanes dipolares mantienen los haces en su trayectoria circular (véase la imagen [32] ), mientras que se utilizan 392 imanes cuadrupolos adicionales para mantener los haces enfocados, con imanes cuadrupolos más fuertes cerca de los puntos de intersección para maximizar las posibilidades de interacción donde se cruzan los dos haces. Se utilizan imanes de órdenes multipolares superiores para corregir imperfecciones más pequeñas en la geometría del campo. En total, se instalan unos 10.000 imanes superconductores , y los imanes dipolares tienen una masa de más de 27 toneladas. [33] Se necesitan aproximadamente 96 toneladas de helio-4 superfluido para mantener los imanes, hechos de niobio-titanio revestido de cobre , a su temperatura de funcionamiento de 1,9 K (−271,25 °C), lo que convierte al LHC en la instalación criogénica más grande del mundo a temperatura de helio líquido. El LHC utiliza 470 toneladas de superconductor Nb–Ti. [34]
Durante las operaciones del LHC, el sitio del CERN obtiene aproximadamente 200 MW de energía eléctrica de la red eléctrica francesa , lo que, a modo de comparación, es aproximadamente un tercio del consumo energético de la ciudad de Ginebra; el acelerador y los detectores del LHC consumen alrededor de 120 MW de esta energía. [35] Cada día de su funcionamiento genera 140 terabytes de datos. [36]
Cuando se hace funcionar una energía de 6,5 TeV por protón, [37] una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 6,5 TeV , el campo de los imanes dipolares superconductores aumenta de 0,54 a 7,7 teslas (T) . Cada protón tiene una energía de 6,5 TeV, lo que da una energía de colisión total de 13 TeV. A esta energía, los protones tienen un factor de Lorentz de aproximadamente 6930 y se mueven a aproximadamente 0,999 999 990 c , o aproximadamente 3,1 m/s (11 km/h) más lento que la velocidad de la luz ( c ). Un protón tarda menos de 90 microsegundos (μs) en recorrer 26,7 km alrededor del anillo principal. Esto da como resultado 11.245 revoluciones por segundo para los protones, independientemente de que las partículas tengan baja o alta energía en el anillo principal, ya que la diferencia de velocidad entre estas energías está más allá del quinto decimal. [38]
En lugar de tener haces continuos, los protones se agrupan en hasta 2.808 haces , con 115 mil millones de protones en cada uno, de modo que las interacciones entre los dos haces tienen lugar a intervalos discretos, principalmente con 25 nanosegundos (ns) de diferencia, lo que proporciona una tasa de colisión de haces de 40 MHz. Se operó con menos haces en los primeros años. La luminosidad de diseño del LHC es de 10 34 cm −2 s −1 , [39] que se alcanzó por primera vez en junio de 2016. [40] Para 2017, se logró el doble de este valor. [41]
Antes de ser inyectadas en el acelerador principal, las partículas son preparadas por una serie de sistemas que aumentan sucesivamente su energía. El primer sistema es el acelerador lineal de partículas Linac4, que genera iones de hidrógeno negativos de 160 MeV (iones H − ), que alimentan el Proton Synchrotron Booster (PSB). Allí, ambos electrones son despojados de los iones de hidrógeno dejando solo el núcleo que contiene un protón. Luego, los protones son acelerados a 2 GeV e inyectados en el Proton Synchrotron (PS), donde son acelerados a 26 GeV. Finalmente, el Super Proton Synchrotron (SPS) se utiliza para aumentar su energía aún más a 450 GeV antes de ser finalmente inyectados (durante un período de varios minutos) en el anillo principal. Aquí, los haces de protones se acumulan, se aceleran (durante un período de 20 minutos ) hasta su energía máxima y finalmente circulan durante 5 a 24 horas mientras se producen colisiones en los cuatro puntos de intersección. [42]
El programa de física del LHC se basa principalmente en colisiones protón-protón. Sin embargo, durante períodos de funcionamiento más cortos, normalmente un mes al año, se incluyen en el programa colisiones de iones pesados. Aunque también se consideran los iones más ligeros, el esquema de referencia se ocupa de los iones de plomo [43] (véase A Large Ion Collider Experiment ). Los iones de plomo son acelerados primero por el acelerador lineal LINAC 3 , y el Low Energy Ion Ring (LEIR) se utiliza como unidad de almacenamiento y refrigeración de iones. A continuación, los iones son acelerados aún más por el PS y el SPS antes de ser inyectados en el anillo del LHC, donde alcanzan una energía de 2,3 TeV por nucleón (o 522 TeV por ion), [44] superior a las energías alcanzadas por el Relativistic Heavy Ion Collider . El objetivo del programa de iones pesados es investigar el plasma de quarks y gluones , que existía en el universo primitivo . [45]
Se han construido nueve detectores en grandes cavernas excavadas en los puntos de intersección del LHC. Dos de ellos, el experimento ATLAS y el Compact Muon Solenoid (CMS), son grandes detectores de partículas de propósito general . [2] ALICE y LHCb tienen funciones más especializadas, mientras que los otros cinco ( TOTEM , MoEDAL , LHCf , SND y FASER ) son mucho más pequeños y están destinados a investigaciones muy especializadas. Los experimentos ATLAS y CMS descubrieron el bosón de Higgs, lo que constituye una prueba sólida de que el Modelo Estándar tiene el mecanismo correcto para dar masa a las partículas elementales. [46]
Se estima que los datos producidos por el LHC, así como la simulación relacionada con el LHC, ascienden a 200 petabytes por año. [47]
La red informática del LHC [48] se construyó como parte del diseño del LHC para manejar las enormes cantidades de datos que se esperan de sus colisiones. Es un proyecto colaborativo internacional que consiste en una infraestructura de red informática basada en cuadrícula que conecta inicialmente 140 centros informáticos en 35 países (más de 170 en más de 40 países en 2012 [actualizar]). Fue diseñada por el CERN para manejar el importante volumen de datos producidos por los experimentos del LHC, [49] incorporando tanto enlaces de cable de fibra óptica privados como porciones de alta velocidad existentes de Internet público para permitir la transferencia de datos desde el CERN a instituciones académicas de todo el mundo. La red informática del LHC está formada por federaciones globales en Europa, Asia Pacífico y las Américas. [47]
El proyecto de computación distribuida LHC@home se inició para apoyar la construcción y calibración del LHC. El proyecto utiliza la plataforma BOINC , que permite a cualquier persona con una conexión a Internet y un ordenador con Mac OS X , Windows o Linux utilizar el tiempo de inactividad de su ordenador para simular cómo viajarán las partículas en los tubos de rayos. Con esta información, los científicos pueden determinar cómo deben calibrarse los imanes para obtener la "órbita" más estable de los rayos en el anillo. [50] En agosto de 2011, se puso en marcha una segunda aplicación (Test4Theory) que realiza simulaciones con las que comparar los datos de prueba reales, para determinar los niveles de confianza de los resultados.
Para 2012, se recopilaron datos de más de 6 cuatrillones (Se han analizado las colisiones protón-protón del LHC ( 6 × 10 15 ). [51] La red informática del LHC se ha convertido en la red informática más grande del mundo en 2012, y comprende más de 170 instalaciones informáticas en una red mundial en más de 40 países. [52] [53] [54]
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El LHC comenzó a funcionar el 10 de septiembre de 2008, [55] pero las pruebas iniciales se retrasaron durante 14 meses, del 19 de septiembre de 2008 al 20 de noviembre de 2009, a raíz de un incidente de extinción de imanes que causó daños importantes a más de 50 imanes superconductores , sus soportes y el tubo de vacío . [56] [57] [58] [59]
Durante su primera ejecución (2010-2013), el LHC colisionó dos haces de partículas opuestas de protones de hasta 4 teraelectronvoltios (4 TeV o 0,64 microjulios ) , o núcleos de plomo (574 TeV por núcleo, o 2,76 TeV por nucleón ). [60] [61] Sus descubrimientos de primera ejecución incluyeron el largamente buscado bosón de Higgs, varias partículas compuestas ( hadrones ) como el estado bottomonium χ b (3P) , la primera creación de un plasma de quarks-gluones y las primeras observaciones de la muy rara desintegración del mesón B s en dos muones (B s 0 → μ + μ − ), que desafió la validez de los modelos existentes de supersimetría . [62]
El tamaño del LHC constituye un desafío de ingeniería excepcional con problemas operativos únicos debido a la cantidad de energía almacenada en los imanes y los haces. [42] [63] Durante el funcionamiento, la energía total almacenada en los imanes es de 10 GJ (2.400 kilogramos de TNT) y la energía total transportada por los dos haces alcanza los 724 MJ (173 kilogramos de TNT). [64]
La pérdida de una diezmillonésima parte (10 −7 ) del haz es suficiente para apagar un imán superconductor, mientras que cada uno de los dos depósitos del haz debe absorber 362 MJ (87 kilogramos de TNT). Estas energías son transportadas por muy poca materia: en condiciones de funcionamiento nominales (2.808 haces por haz, 1,15×10 11 protones por haz), los tubos del haz contienen 1,0×10 −9 gramos de hidrógeno, que, en condiciones estándar de temperatura y presión , llenarían el volumen de un grano de arena fina.
Con un presupuesto de 7.500 millones de euros (unos 9.000 millones de dólares o 6.190 millones de libras esterlinas a junio de 2010 [actualizar]), el LHC es uno de los instrumentos científicos más caros [1] jamás construidos. [65] Se espera que el coste total del proyecto sea del orden de 4.600 millones de francos suizos (SFr) (unos 4.400 millones de dólares, 3.100 millones de euros o 2.800 millones de libras esterlinas a enero de 2010 [actualizar]) para el acelerador y 1.160 millones de francos suizos (unos 1.100 millones de dólares, 0.800 millones de euros o 0.700 millones de libras esterlinas a enero de 2010 [actualizar]) para la contribución del CERN a los experimentos. [66]
La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2.600 millones de francos suizos, con otros 210 millones de francos suizos para los experimentos. Sin embargo, los sobrecostos, estimados en una importante revisión en 2001 en alrededor de 480 millones de francos suizos para el acelerador y 50 millones de francos suizos para los experimentos, junto con una reducción en el presupuesto del CERN, retrasaron la fecha de finalización de 2005 a abril de 2007. [67] Los imanes superconductores fueron responsables de 180 millones de francos suizos del aumento de costo. También hubo costos y retrasos adicionales debido a dificultades de ingeniería encontradas durante la construcción de la caverna para el solenoide de muones compacto , [68] y también debido a los soportes de los imanes que no estaban suficientemente diseñados y fallaron en sus pruebas iniciales (2007) y daños por un enfriamiento del imán y un escape de helio líquido (prueba inaugural, 2008). [69] Debido a que los costos de electricidad son más bajos durante el verano, el LHC normalmente no opera durante los meses de invierno, [70] aunque se hicieron excepciones durante los inviernos de 2009/10 y 2012/2013 para compensar los retrasos en la puesta en marcha de 2008 y para mejorar la precisión de las mediciones de la nueva partícula descubierta en 2012, respectivamente.
Con la invasión rusa de Ucrania en 2022 , la participación de los rusos en el CERN quedó en tela de juicio. Alrededor del 8% de la fuerza laboral es de nacionalidad rusa. En junio de 2022, el CERN dijo que el consejo de gobierno "tiene la intención de rescindir" los acuerdos de cooperación del CERN con Bielorrusia y Rusia cuando expiren, respectivamente en junio y diciembre de 2024. El CERN dijo que monitorearía los acontecimientos en Ucrania y sigue preparado para tomar medidas adicionales según sea necesario. [79] [80] El CERN dijo además que reduciría la contribución ucraniana al CERN para 2022 a la cantidad ya remitida a la Organización, renunciando así a la segunda cuota de la contribución. [81]
En sus dos ejecuciones (2010 a 2012 y 2015), el LHC se ejecutó inicialmente a energías inferiores a su energía operativa planificada, y se aceleró a solo 2 x 4 TeV de energía en su primera ejecución y 2 x 6,5 TeV en su segunda ejecución, por debajo de la energía de diseño de 2 x 7 TeV. Esto se debe a que los imanes superconductores masivos requieren un entrenamiento considerable del imán para manejar las altas corrientes involucradas sin perder su capacidad superconductora , y las altas corrientes son necesarias para permitir una alta energía de protones. El proceso de "entrenamiento" implica ejecutar repetidamente los imanes con corrientes más bajas para provocar cualquier enfriamiento o movimientos diminutos que puedan resultar. También lleva tiempo enfriar los imanes a su temperatura de funcionamiento de alrededor de 1,9 K (cerca del cero absoluto ). Con el tiempo, el imán "se asienta" y deja de enfriarse a estas corrientes menores y puede manejar la corriente de diseño completa sin apagarse; Los medios de comunicación del CERN describen los imanes como si "sacudieran" las inevitables pequeñas imperfecciones de fabricación en sus cristales y posiciones que habían afectado inicialmente a su capacidad para manejar las corrientes planificadas. Los imanes, con el tiempo y el entrenamiento, gradualmente se vuelven capaces de manejar todas sus corrientes planificadas sin apagarse. [82] [83]
El primer haz se hizo circular a través del colisionador en la mañana del 10 de septiembre de 2008. [84] El CERN disparó con éxito los protones alrededor del túnel en etapas, tres kilómetros a la vez. Las partículas se dispararon en el sentido de las agujas del reloj hacia el acelerador y lo dirigieron con éxito a las 10:28 hora local. [55] El LHC completó con éxito su prueba principal: después de una serie de pruebas, dos puntos blancos parpadearon en una pantalla de computadora que mostraban que los protones viajaron por toda la longitud del colisionador. Tomó menos de una hora guiar la corriente de partículas alrededor de su circuito inaugural. [85] A continuación, el CERN envió con éxito un haz de protones en sentido contrario a las agujas del reloj, tardando un poco más de una hora y media debido a un problema con la criogenia , y el circuito completo se completó a las 14:59.
El 19 de septiembre de 2008, se produjo un enfriamiento de los imanes en unos 100 imanes de flexión de los sectores 3 y 4, donde una falla eléctrica liberó alrededor de seis toneladas de helio líquido (el refrigerante criogénico de los imanes ) al túnel. El vapor que se escapó se expandió con fuerza explosiva, dañando 53 imanes superconductores y sus soportes, y contaminando la tubería de vacío, que también perdió las condiciones de vacío. [56] [57] [86]
Poco después del incidente, el CERN informó que la causa más probable del problema era una conexión eléctrica defectuosa entre dos imanes. Estimó que las reparaciones tardarían al menos dos meses, debido al tiempo necesario para calentar los sectores afectados y luego enfriarlos de nuevo hasta la temperatura de funcionamiento. [87] El CERN publicó un informe técnico provisional [86] y un análisis preliminar del incidente el 15 y el 16 de octubre de 2008 respectivamente, [88] y un informe más detallado el 5 de diciembre de 2008. [76] El análisis del incidente realizado por el CERN confirmó que, efectivamente, la causa había sido un fallo eléctrico. La conexión eléctrica defectuosa había provocado (correctamente) un aborto de potencia de seguridad de los sistemas eléctricos que alimentaban los imanes superconductores, pero también había causado un arco eléctrico (o descarga) que dañó la integridad del recinto del helio superenfriado y el aislamiento de vacío, causando que la temperatura y la presión del refrigerante aumentaran rápidamente más allá de la capacidad de los sistemas de seguridad para contenerlo, [86] y provocando un aumento de temperatura de unos 100 grados Celsius en algunos de los imanes afectados. La energía almacenada en los imanes superconductores y el ruido eléctrico inducido en otros detectores de extinción también jugaron un papel en el rápido calentamiento. Alrededor de dos toneladas de helio líquido escaparon explosivamente antes de que los detectores activaran una parada de emergencia, y otras cuatro toneladas se filtraron a menor presión como consecuencia. [86] Un total de 53 imanes resultaron dañados en el incidente y fueron reparados o reemplazados durante el cierre invernal. [89] Este accidente fue analizado en profundidad en un artículo de Superconductor Science and Technology del 22 de febrero de 2010 por el físico del CERN Lucio Rossi . [90]
En el programa original para la puesta en servicio del LHC, se esperaba que las primeras colisiones "modestas" de alta energía a una energía en el centro de masas de 900 GeV tuvieran lugar antes de finales de septiembre de 2008, y se esperaba que el LHC estuviera operando a 10 TeV a finales de 2008. [91] Sin embargo, debido al retraso causado por el incidente, el colisionador no estuvo operativo hasta noviembre de 2009. [92] A pesar del retraso, el LHC fue inaugurado oficialmente el 21 de octubre de 2008, en presencia de líderes políticos, ministros de ciencia de los 20 Estados miembros del CERN, funcionarios del CERN y miembros de la comunidad científica mundial. [93]
La mayor parte de 2009 se dedicó a reparaciones y revisiones de los daños causados por el incidente del enfriamiento, junto con otras dos fugas de vacío identificadas en julio de 2009; esto retrasó el inicio de las operaciones hasta noviembre de ese año. [78]
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El 20 de noviembre de 2009, haces de baja energía circularon en el túnel por primera vez desde el incidente, y poco después, el 30 de noviembre, el LHC alcanzó 1,18 TeV por haz para convertirse en el acelerador de partículas de mayor energía del mundo, superando el récord anterior del Tevatron de 0,98 TeV por haz mantenido durante ocho años. [95]
A principios de 2010 se siguió aumentando la energía de los haces y se realizaron experimentos de física temprana hacia los 3,5 TeV por haz, y el 30 de marzo de 2010 el LHC estableció un nuevo récord de colisiones de alta energía al hacer colisionar haces de protones a un nivel de energía combinado de 7 TeV. Este fue el tercer intento ese día, después de dos intentos fallidos en los que los protones tuvieron que ser "expulsados" del colisionador y se tuvieron que inyectar nuevos haces. [96] Esto también marcó el inicio del principal programa de investigación.
El primer experimento con protones finalizó el 4 de noviembre de 2010. El experimento con iones de plomo comenzó el 8 de noviembre de 2010 y finalizó el 6 de diciembre de 2010, [97] lo que permitió al experimento ALICE estudiar la materia en condiciones extremas similares a las que se produjeron poco después del Big Bang. [98]
El CERN planeó originalmente que el LHC funcionaría hasta fines de 2012, con un breve descanso a fines de 2011 para permitir un aumento en la energía del haz de 3,5 a 4 TeV por haz. [5] A fines de 2012, se planeó cerrar temporalmente el LHC hasta alrededor de 2015 para permitir la actualización a una energía de haz planificada de 7 TeV por haz. [99] A fines de 2012, a la luz del descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012, el cierre se pospuso por algunas semanas hasta principios de 2013, para permitir que se obtuvieran datos adicionales antes del cierre.
El LHC se cerró el 13 de febrero de 2013 para su actualización de dos años llamada Long Shutdown 1 (LS1), que debía tocar muchos aspectos del LHC: permitir colisiones a 14 TeV, mejorar sus detectores y preaceleradores (el Sincrotrón de Protones y el Super Sincrotrón de Protones), así como reemplazar su sistema de ventilación y 100 km (62 mi) de cableado dañado por colisiones de alta energía de su primera ejecución. [101] El colisionador actualizado comenzó su largo proceso de puesta en marcha y prueba en junio de 2014, con el Proton Synchrotron Booster comenzando el 2 de junio de 2014, la interconexión final entre los imanes completándose y el Proton Synchrotron circulando partículas el 18 de junio de 2014, y la primera sección del sistema principal de superimanes del LHC alcanzando la temperatura de operación de 1,9 K (−271,25 °C), unos días después. [102] Debido al lento progreso del "entrenamiento" de los imanes superconductores, se decidió comenzar la segunda prueba con una energía menor de 6,5 TeV por haz, lo que corresponde a una corriente en el imán de 11.000 amperios . Se informó que el primero de los imanes principales del LHC se había entrenado con éxito el 9 de diciembre de 2014, mientras que el entrenamiento de los otros sectores de imanes finalizó en marzo de 2015. [103]
El 5 de abril de 2015, el LHC se reinició después de una pausa de dos años, durante la cual se actualizaron los conectores eléctricos entre los imanes de flexión para manejar de manera segura la corriente requerida para 7 TeV por haz (energía de colisión de 14 TeV). [6] [104] Sin embargo, los imanes de flexión solo fueron entrenados para manejar hasta 6,5 TeV por haz (energía de colisión de 13 TeV), que se convirtió en la energía operativa para 2015 a 2018. [82] La energía se alcanzó por primera vez el 10 de abril de 2015. [105] Las actualizaciones culminaron en la colisión de protones con una energía combinada de 13 TeV. [106] El 3 de junio de 2015, el LHC comenzó a entregar datos de física después de casi dos años fuera de línea. [107] En los meses siguientes, se utilizó para colisiones protón-protón, mientras que en noviembre, la máquina cambió a colisiones de iones de plomo y en diciembre, comenzó el apagado invernal habitual.
En 2016, los operadores de la máquina se centraron en aumentar la luminosidad de las colisiones protón-protón. El valor de diseño se alcanzó por primera vez el 29 de junio [40] y las mejoras posteriores aumentaron la tasa de colisiones hasta un 40 % por encima del valor de diseño [108] . El número total de colisiones en 2016 superó el número de la ejecución 1, con una mayor energía por colisión. La ejecución protón-protón fue seguida por cuatro semanas de colisiones protón-plomo [109] .
En 2017, la luminosidad se incrementó aún más y alcanzó el doble del valor de diseño. El número total de colisiones también fue mayor que en 2016. [41]
La prueba de física de 2018 comenzó el 17 de abril y finalizó el 3 de diciembre, incluidas cuatro semanas de colisiones de plomo con plomo. [110]
El 10 de diciembre de 2018 se inició el segundo apagado prolongado (LS2, por sus siglas en inglés), en el que se realizaron trabajos de mantenimiento y modernización del LHC y de todo el complejo de aceleradores del CERN. El objetivo de las mejoras era implementar el proyecto del Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC, por sus siglas en inglés), que aumentará la luminosidad en un factor de 10. El LS2 finalizó en abril de 2022. El tercer apagado prolongado (LS3, por sus siglas en inglés) que se llevará a cabo en la década de 2020 tendrá lugar antes de que finalice el proyecto HL-LHC.
El LHC volvió a estar operativo el 22 de abril de 2022 con una nueva energía máxima de haz de 6,8 TeV (energía de colisión de 13,6 TeV), que se alcanzó por primera vez el 25 de abril. [111] [112] Comenzó oficialmente su temporada de física de ejecución 3 el 5 de julio de 2022. [113] Se espera que esta ronda continúe hasta 2026. [114] Además de una energía más alta, se espera que el LHC alcance una mayor luminosidad, que se espera que aumente aún más con la actualización al HL-LHC después de la ejecución 3. [115]
Un enfoque inicial de la investigación fue investigar la posible existencia del bosón de Higgs , una parte clave del Modelo Estándar de la física que fue predicha por la teoría, pero que aún no había sido observada antes debido a su alta masa y naturaleza elusiva. Los científicos del CERN estimaron que, si el Modelo Estándar era correcto, el LHC produciría varios bosones de Higgs cada minuto, lo que permitiría a los físicos confirmar o refutar finalmente la existencia del bosón de Higgs. Además, el LHC permitió la búsqueda de partículas supersimétricas y otras partículas hipotéticas como posibles áreas desconocidas de la física. [60] Algunas extensiones del Modelo Estándar predicen partículas adicionales, como los pesados bosones de calibre W' y Z' , que también se estima que están al alcance del LHC para descubrir. [134]
Los primeros resultados de física del LHC, que involucraron 284 colisiones que tuvieron lugar en el detector ALICE, se informaron el 15 de diciembre de 2009. [117] Los resultados de las primeras colisiones protón-protón a energías superiores a las colisiones protón-antiprotón del Tevatron de Fermilab fueron publicados por la colaboración CMS a principios de febrero de 2010, produciendo una producción de hadrones cargados mayor que la prevista. [135]
Después del primer año de recolección de datos, las colaboraciones experimentales del LHC comenzaron a publicar sus resultados preliminares sobre búsquedas de nueva física más allá del Modelo Estándar en colisiones protón-protón. [136] [137] [138] [139] No se detectó evidencia de nuevas partículas en los datos de 2010. Como resultado, se establecieron límites en el espacio de parámetros permitidos de varias extensiones del Modelo Estándar, como modelos con grandes dimensiones adicionales , versiones restringidas del Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo y otros. [140] [141] [142]
El 24 de mayo de 2011, se informó que se había creado plasma de quarks y gluones (la materia más densa que se cree que existe además de los agujeros negros ) en el LHC. [120]
Entre julio y agosto de 2011, los resultados de las búsquedas del bosón de Higgs y de partículas exóticas, basadas en los datos recopilados durante la primera mitad del período de 2011, se presentaron en conferencias en Grenoble [143] y Mumbai. [144] En la última conferencia, se informó que, a pesar de los indicios de una señal de Higgs en datos anteriores, ATLAS y CMS excluyen con un nivel de confianza del 95% (utilizando el método CLs ) la existencia de un bosón de Higgs con las propiedades predichas por el Modelo Estándar sobre la mayor parte de la región de masas entre 145 y 466 GeV. [145] Las búsquedas de nuevas partículas tampoco produjeron señales, lo que permitió restringir aún más el espacio de parámetros de varias extensiones del Modelo Estándar, incluidas sus extensiones supersimétricas. [146] [147]
El 13 de diciembre de 2011, el CERN informó que el bosón de Higgs del Modelo Estándar, si es que existe, probablemente tenga una masa limitada al rango de 115 a 130 GeV. Tanto los detectores CMS como ATLAS también han mostrado picos de intensidad en el rango de 124 a 125 GeV, en consonancia con el ruido de fondo o con la observación del bosón de Higgs. [148]
El 22 de diciembre de 2011, se informó que se había observado una nueva partícula compuesta, el estado bottomonio χ b (3P). [123]
El 4 de julio de 2012, tanto el equipo CMS como el ATLAS anunciaron el descubrimiento de un bosón en la región de masas de alrededor de 125-126 GeV, con una significación estadística a nivel de 5 sigma cada uno. Esto cumple con el nivel formal requerido para anunciar una nueva partícula. Las propiedades observadas eran consistentes con el bosón de Higgs, pero los científicos fueron cautelosos en cuanto a si se identifica formalmente como realmente el bosón de Higgs, a la espera de un análisis más profundo. [149] El 14 de marzo de 2013, el CERN anunció la confirmación de que la partícula observada era de hecho el bosón de Higgs predicho. [150]
El 8 de noviembre de 2012, el equipo LHCb informó sobre un experimento considerado como una prueba "de oro" de las teorías de supersimetría en física, [126] al medir la muy rara desintegración del mesón en dos muones ( ). Los resultados, que coinciden con los predichos por el Modelo Estándar no supersimétrico en lugar de las predicciones de muchas ramas de la supersimetría, muestran que las desintegraciones son menos comunes de lo que predicen algunas formas de supersimetría, aunque aún podrían coincidir con las predicciones de otras versiones de la teoría de la supersimetría. Se afirma que los resultados tal como se redactaron inicialmente no son una prueba, pero tienen un nivel de significación relativamente alto de 3,5 sigma. [151] El resultado fue confirmado más tarde por la colaboración CMS. [152]
En agosto de 2013, el equipo del LHCb reveló una anomalía en la distribución angular de los productos de desintegración del mesón B que no podía predecirse con el Modelo Estándar; esta anomalía tenía una certeza estadística de 4,5 sigma, justo por debajo de los 5 sigma necesarios para ser reconocida oficialmente como un descubrimiento. Se desconoce cuál sería la causa de esta anomalía, aunque se ha sugerido al bosón Z' como un posible candidato. [153]
El 19 de noviembre de 2014, el experimento LHCb anunció el descubrimiento de dos nuevas partículas subatómicas pesadas,
Ξ′-b
y
O∗−
bAmbos son bariones compuestos de un quark bottom, uno down y uno strange. Son estados excitados del barión bottom Xi . [154] [155]
La colaboración LHCb ha observado múltiples hadrones exóticos, posiblemente pentaquarks o tetraquarks , en los datos de Run 1. El 4 de abril de 2014, la colaboración confirmó la existencia del candidato a tetraquark Z(4430) con una significancia de más de 13,9 sigma. [156] [157] El 13 de julio de 2015, se publicaron resultados consistentes con estados de pentaquark en la desintegración de bariones Lambda inferiores (Λ0b
) se informaron. [158] [159] [160]
El 28 de junio de 2016, la colaboración anunció cuatro partículas similares a tetraquarks que se desintegran en un mesón J/ψ y un mesón φ, de los cuales solo uno estaba bien establecido antes (X(4274), X(4500) y X(4700) y X(4140) ). [161] [162]
En diciembre de 2016, ATLAS presentó una medición de la masa del bosón W, investigando la precisión de los análisis realizados en el Tevatron. [163]
En la conferencia EPS-HEP 2015 en julio, las colaboraciones presentaron las primeras mediciones de la sección transversal de varias partículas a mayor energía de colisión.
El 15 de diciembre de 2015, los experimentos ATLAS y CMS informaron sobre una serie de resultados preliminares de búsquedas de física de Higgs, supersimetría (SUSY) y búsquedas de partículas exóticas utilizando datos de colisión de protones de 13 TeV. Ambos experimentos detectaron un exceso moderado de alrededor de 750 GeV en el espectro de masas invariante de dos fotones , [164] [165] [166] pero los experimentos no confirmaron la existencia de la partícula hipotética en un informe de agosto de 2016. [167] [168] [169]
En julio de 2017 se mostraron muchos análisis basados en el gran conjunto de datos recopilados en 2016. Se estudiaron con más detalle las propiedades del bosón de Higgs y se mejoró la precisión de muchos otros resultados. [170]
En marzo de 2021, los experimentos del LHC descubrieron 59 hadrones nuevos en los datos recopilados durante las dos primeras ejecuciones. [171]
El 5 de julio de 2022, LHCb informó del descubrimiento de un nuevo tipo de pentaquark formado por un quark charm y un antiquark charm y un quark up, un quark down y un quark strange, observado en un análisis de desintegraciones de mesones B cargados. [172]
Después de algunos años de funcionamiento, cualquier experimento de física de partículas normalmente comienza a sufrir rendimientos decrecientes : a medida que los resultados clave alcanzables por el dispositivo comienzan a completarse, los años posteriores de operación descubren proporcionalmente menos que los años anteriores. Una respuesta común es actualizar los dispositivos involucrados, generalmente en energía de colisión, luminosidad o detectores mejorados. Además de un posible aumento a 14 TeV de energía de colisión, una actualización de luminosidad del LHC, llamada High Luminosity Large Hadron Collider, comenzó en junio de 2018 que aumentará el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física, a partir de 2027. [173] La actualización tiene como objetivo aumentar la luminosidad de la máquina en un factor de 10, hasta 10 35 cm −2 s −1 , brindando una mejor oportunidad de ver procesos raros y mejorando las mediciones estadísticamente marginales. [115]
El CERN tiene varios diseños preliminares para un Futuro Colisionador Circular (FCC, por sus siglas en inglés), que sería el acelerador de partículas más potente jamás construido, con diferentes tipos de colisionadores cuyo costo oscila entre los 9.000 millones de euros (10.200 millones de dólares estadounidenses) y los 21.000 millones de euros. Utilizaría el anillo del LHC como preacelerador, de manera similar a cómo el LHC utiliza el Super Sincrotrón de Protones, más pequeño. Se trata de la primera propuesta del CERN en un proceso de establecimiento de prioridades denominado Actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas, y afectará al futuro de este campo hasta bien entrada la segunda mitad del siglo. A fecha de 2023, no existe ningún plan fijo y se desconoce si se financiará la construcción. [174]
Los experimentos en el Gran Colisionador de Hadrones despertaron temores de que las colisiones de partículas pudieran producir fenómenos apocalípticos, que implicaran la producción de agujeros negros microscópicos estables o la creación de partículas hipotéticas llamadas strangelets . [175] Dos revisiones de seguridad encargadas por el CERN examinaron estas preocupaciones y concluyeron que los experimentos en el LHC no presentan ningún peligro y que no hay motivos para preocuparse, [176] [177] [178] una conclusión respaldada por la Sociedad Estadounidense de Física . [179]
Los informes también señalaron que las condiciones físicas y los eventos de colisión que existen en el LHC y experimentos similares ocurren de manera natural y rutinaria en el universo sin consecuencias peligrosas, [177] incluidos los rayos cósmicos de energía ultra alta que se observa que impactan la Tierra con energías mucho más altas que las de cualquier colisionador creado por el hombre, como la partícula Oh-My-God que tenía 320 millones de TeV de energía, y una energía de colisión decenas de veces mayor que las colisiones más energéticas producidas en el LHC.
El Gran Colisionador de Hadrones ha recibido una considerable atención de fuera de la comunidad científica y sus avances son seguidos por la mayoría de los medios de divulgación científica. El LHC también ha inspirado obras de ficción, como novelas, series de televisión, videojuegos y películas.
El "Large Hadron Rap" [180] de Katherine McAlpine, empleada del CERN, superó los 8 millones de visitas en YouTube en 2022. [181] [182]
La banda Les Horribles Cernettes fue fundada por mujeres del CERN. El nombre fue elegido para que tuviera las mismas iniciales que el LHC. [183] [184]
El episodio 6 de la segunda temporada (2010) de National Geographic Channel , "Atom Smasher", muestra el reemplazo de la última sección del imán superconductor en la reparación del colisionador después del incidente de extinción de 2008. El episodio incluye imágenes reales desde las instalaciones de reparación hasta el interior del colisionador, y explicaciones sobre la función, la ingeniería y el propósito del LHC. [185]
La canción "Munich" del álbum de estudio de 2012 Scars & Stories de The Fray está inspirada en el Gran Colisionador de Hadrones. El cantante Isaac Slade dijo en una entrevista con The Huffington Post : "Hay un gran colisionador de partículas en Suiza que está ayudando a los científicos a desvelar qué crea la gravedad y la masa. Se están planteando algunas preguntas muy importantes, incluso algunas cosas que propuso Einstein, que han sido aceptadas durante décadas, están empezando a ser cuestionadas. Están buscando la Partícula de Dios, básicamente, la partícula que lo mantiene todo unido. Esa canción trata realmente del misterio de por qué estamos todos aquí y qué lo mantiene todo unido, ¿sabes?" [186]
El Gran Colisionador de Hadrones fue el foco de la película estudiantil Decay de 2012 , filmada en los túneles de mantenimiento del CERN. [187]
La novela Ángeles y demonios , de Dan Brown , trata sobre la antimateria creada en el LHC para ser utilizada en un arma contra el Vaticano. En respuesta, el CERN publicó una página titulada "¿Realidad o ficción?" en la que se analiza la precisión de la descripción que hace el libro del LHC, el CERN y la física de partículas en general. [188] La versión cinematográfica del libro tiene imágenes filmadas en el lugar de uno de los experimentos del LHC; el director, Ron Howard , se reunió con expertos del CERN en un esfuerzo por hacer que la ciencia de la historia fuera más precisa. [189]
La novela FlashForward , de Robert J. Sawyer , trata sobre la búsqueda del bosón de Higgs en el LHC. El CERN publicó una página de "Ciencia y ficción" en la que entrevistaba a Sawyer y a físicos sobre el libro y la serie de televisión basada en él. [190]
El anillo opera con una fundamental acústica y armónicos de 11,245 kHz
[Una] colaboración mundial de más de 170 centros informáticos en 36 países... para almacenar, distribuir y analizar los ~25 petabytes (25 millones de gigabytes) de datos generados anualmente por el Gran Colisionador de Hadrones
Actualmente, WLCG está formada por más de 170 centros de computación en más de 40 países... WLCG es ahora la red informática más grande del mundo
