El Colisionador Lineal Compacto ( CLIC ) es un concepto para un futuro acelerador lineal de partículas que tiene como objetivo explorar la próxima frontera energética . CLIC colisionaría electrones con positrones y actualmente es la única opción madura para un colisionador lineal multi-TeV . El acelerador tendría entre 11 y 50 km (7 y 31 millas) de largo, [1] más de diez veces más que el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) existente en California, EE. UU. Se propone construir CLIC en el CERN , al otro lado de la frontera entre Francia y Suiza , cerca de Ginebra , y los primeros rayos comenzarán cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) haya terminado de operar alrededor de 2035. [1]
El acelerador CLIC utilizaría una novedosa técnica de aceleración de dos haces con un gradiente de aceleración de 100 M V /m, y su construcción por etapas proporcionaría colisiones en tres energías del centro de masa de hasta 3 TeV para un alcance físico óptimo . [1] Se están llevando a cabo investigaciones y desarrollo (I+D) para lograr los objetivos de la física de alta precisión en condiciones desafiantes de haz y fondo .
CLIC tiene como objetivo descubrir nueva física más allá del modelo estándar de física de partículas, mediante mediciones de precisión de las propiedades del modelo estándar , así como la detección directa de nuevas partículas. El colisionador ofrecería una alta sensibilidad a los estados electrodébiles , superando la precisión prevista del programa completo del LHC. [1] El diseño CLIC actual incluye la posibilidad de polarización del haz de electrones .
La colaboración de CLIC produjo un Informe de diseño conceptual (CDR) en 2012, [2] complementado con un escenario de puesta en escena de energía actualizado en 2016. [3] Estudios detallados adicionales del caso físico de CLIC, un diseño avanzado del complejo del acelerador y el detector , así como numerosos resultados de I+D se resumen en una serie reciente de Informes Amarillos del CERN. [1] [4] [5] [6]
Hay dos tipos principales de colisionadores de partículas, que se diferencian en los tipos de partículas con las que chocan: colisionadores de leptones y colisionadores de hadrones . Cada tipo de colisionador puede producir diferentes estados finales de partículas y estudiar diferentes fenómenos físicos. Ejemplos de colisionadores de hadrones son el ISR , el SPS y el LHC del CERN, y el Tevatron en Estados Unidos. Ejemplos de colisionadores de leptones son el SuperKEKB en Japón, el BEPC II en China, el DAFNE en Italia, el VEPP en Rusia, el SLAC en Estados Unidos y el Gran Colisionador de Electrones y Positrones del CERN. Algunos de estos colisionadores de leptones todavía están en funcionamiento.
Los hadrones son objetos compuestos que provocan colisiones más complicadas y limitan la precisión alcanzable de las mediciones físicas. Ésta es, por ejemplo, la razón por la que el Gran Colisionador de Hadrones fue diseñado para funcionar con una energía tan alta, incluso cuando ya se sabía que la partícula de Higgs debería encontrarse con energías cercanas a las que finalmente tuvo: la menor precisión de un colisionador de hadrones necesitaba más y más impactos de mayor energía para compensar. Los colisionadores de leptones, por otro lado, colisionan partículas fundamentales , por lo que se conoce el estado inicial de cada evento y se pueden lograr mediciones de mayor precisión.
Otra forma de categorizar los colisionadores es por su geometría física: lineal o circular. Los colisionadores circulares se benefician de poder acelerar partículas una y otra vez hasta alcanzar energías muy altas, y de poder cruzar repetidamente sus haces, para alcanzar un número muy elevado de colisiones entre partículas individuales.
Por otro lado, están limitadas por el hecho de que mantener las partículas en circulación significa acelerarlas constantemente hacia el interior. Esto hace que las partículas cargadas emitan radiación sincrotrón , lo que eventualmente conduce a una pérdida de energía significativa y a un límite en la energía de colisión alcanzable. Esta llamada pérdida de sincrotrón es especialmente dañina para los colisionadores de leptones, porque escala como la cuarta potencia de la velocidad de las partículas, y los únicos leptones estables que existen (electrones y positrones) son, como su nombre indica, muy ligeros. Tendrán que acelerarse a velocidades mucho más altas que las partículas más pesadas (bariones) para obtener la misma energía y, de repente, la pérdida de sincrotrón se convierte en el factor limitante.
Como colisionador lineal, CLIC no tendrá este problema. Sin embargo, todavía tiene que afrontar el problema de no poder recircular sus haces, lo que, a pesar de llamarse "compacto", requiere una escala masiva y un diseño poco convencional para alcanzar las altas aceleraciones lineales requeridas.
Está previsto que CLIC se construya y funcione en tres etapas con diferentes energías de centro de masa: 380 GeV, 1,5 TeV y 3 TeV. [1] Se espera que las luminosidades integradas en cada etapa sean 1 ab −1 , 2,5 ab −1 y 5 ab −1 respectivamente, [1] proporcionando un amplio programa de física durante un período de 27 años. Estas energías del centro de masas han sido motivadas por los datos actuales del LHC y los estudios del potencial físico realizados por el estudio CLIC. [1]
Ya a 380 GeV, CLIC tiene una buena cobertura de la física del modelo estándar ; las etapas de energía más allá de esto permiten el descubrimiento de nueva física, así como mediciones de mayor precisión de los procesos del modelo estándar . Además, CLIC funcionará en el umbral de producción de pares de quarks superiores, alrededor de 350 GeV, con el objetivo de medir con precisión las propiedades del quark superior. [1]
CLIC permitiría la exploración de nuevos rangos de energía, proporcionaría posibles soluciones a problemas sin respuesta y permitiría el descubrimiento de fenómenos más allá de nuestra comprensión actual.
Los datos actuales del LHC sugieren que la partícula encontrada en 2012 es el bosón de Higgs, tal como lo predice el modelo estándar de física de partículas. [7] [8] Sin embargo, el LHC sólo puede responder parcialmente a preguntas sobre la verdadera naturaleza de esta partícula, como su naturaleza compuesta/fundamental, sus fuerzas de acoplamiento y su posible papel en un sector electrodébil extendido. [2] CLIC podría examinar estas cuestiones con mayor profundidad midiendo los acoplamientos de Higgs con una precisión que no se había logrado antes. [9] La etapa de 380 GeV de CLIC permite, por ejemplo, mediciones precisas, independientes del modelo, de los acoplamientos del bosón de Higgs con fermiones y bosones a través de los procesos de producción de fusión Higgsstrahlung y WW. Las etapas segunda y tercera dan acceso a fenómenos como el acoplamiento superior-Yukawa , las raras desintegraciones de Higgs y el autoacoplamiento de Higgs. [9]
El quark top, la más pesada de todas las partículas fundamentales conocidas, nunca ha sido estudiado hasta el momento en colisiones electrón - positrón . [10] El colisionador lineal CLIC prevé un amplio programa de física de quarks superiores. Un objetivo principal de este programa sería una exploración del umbral alrededor del umbral de producción del par de quarks superiores (~350 GeV) para determinar con precisión la masa y otras propiedades importantes del quark superior. Para este escaneo, CLIC actualmente planea dedicar el 10% del tiempo de ejecución de la primera etapa, recaudando 100 fb −1 . [1] Este estudio permitiría determinar la masa del quark top de una manera teóricamente bien definida y con una precisión mayor que la posible con los colisionadores de hadrones. [2] CLIC también intentaría medir los acoplamientos electrodébiles del quark top con el bosón Z y el fotón, ya que las desviaciones de estos valores de los predichos por el modelo estándar podrían ser evidencia de nuevos fenómenos físicos, como dimensiones adicionales. Una mayor observación de las desintegraciones de los quarks top con corrientes neutras que cambian el sabor en CLIC sería una indicación indirecta de nueva física, ya que CLIC no debería verlas según las predicciones actuales del Modelo Estándar . [10]
CLIC podría descubrir nuevos fenómenos físicos mediante mediciones indirectas o mediante observación directa. Grandes desviaciones en las mediciones de precisión de las propiedades de las partículas con respecto a la predicción del Modelo Estándar señalarían indirectamente la presencia de nueva física. Estos métodos indirectos dan acceso a escalas de energía mucho más allá de la energía de colisión disponible, alcanzando sensibilidades de hasta decenas de TeV.
Ejemplos de mediciones indirectas que CLIC sería capaz de realizar a 3 TeV son: utilizar la producción de pares de muones para proporcionar evidencia de un bosón Z ′ (que alcanza hasta ~30 TeV), lo que indica una extensión de calibre simple más allá del modelo estándar ; utilizar la dispersión de bosones vectoriales para dar una idea del mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil; y explotar la combinación de varios estados finales para determinar la naturaleza elemental o compuesta del bosón de Higgs (alcance de la escala de composición hasta ~50 TeV). [4] En CLIC es posible la producción directa de pares de partículas con una masa de hasta 1,5 TeV y la producción de partículas individuales con una masa de hasta 3 TeV. Gracias al entorno limpio de los colisionadores de electrones y positrones, CLIC podría medir las propiedades de estas posibles nuevas partículas con una precisión muy alta. [1] Ejemplos de partículas que CLIC podría observar directamente a 3 TeV son algunas de las propuestas por la teoría de la supersimetría : charginos , neutralinos (ambos ~≤ 1,5 TeV) y sleptones (≤ 1,5 TeV). [4]
Sin embargo, la investigación a partir de datos experimentales sobre la constante cosmológica , el ruido LIGO y la sincronización del púlsar sugiere que es muy poco probable que haya nuevas partículas con masas mucho mayores que las que se pueden encontrar en el modelo estándar o el LHC. [11] [12] [13] Por otro lado, esta investigación también ha indicado que la gravedad cuántica o la teoría de campos cuánticos perturbativos se acoplarán fuertemente antes de 1 PeV, lo que conducirá a otras nuevas físicas en los TeV. [11]
Para alcanzar la energía de haz deseada de 3 TeV, manteniendo compacta la longitud del acelerador, CLIC apunta a un gradiente de aceleración de hasta 100 MV/m. CLIC se basa en cavidades de aceleración de conducción normal operadas a temperatura ambiente , ya que permiten gradientes de aceleración más altos que las cavidades superconductoras . Con esta tecnología, la principal limitación es la tasa de ruptura de alto voltaje (BDR), que sigue la ley empírica , donde es el gradiente de aceleración y es la longitud del pulso de RF. [14] El alto gradiente de aceleración y el valor BDR objetivo (3 × 10 −7 pulso −1 m −1 ) impulsan la mayoría de los parámetros del haz y el diseño de la máquina .
Para alcanzar estos altos gradientes de aceleración manteniendo al mismo tiempo un consumo de energía asequible, CLIC utiliza un novedoso esquema de aceleración de dos haces: el llamado Drive Beam corre paralelo al Main Beam en colisión. El haz motriz se desacelera en dispositivos especiales llamados estructuras de transferencia y extracción de energía (PETS, por sus siglas en inglés) que extraen energía del haz motriz en forma de poderosas ondas de radiofrecuencia (RF), que luego se utiliza para acelerar el haz principal. Hasta el 90% de la energía del haz motriz se extrae y se transfiere eficientemente al haz principal. [15]
Los electrones necesarios para el haz principal se producen iluminando un cátodo de tipo GaAs con un láser polarizado con conmutación Q y están polarizados longitudinalmente al nivel del 80%. [5] Los positrones para el haz principal se producen enviando un haz de electrones de 5 GeV sobre un objetivo de tungsteno . Después de una aceleración inicial de hasta 2,86 GeV, tanto los electrones como los positrones entran en anillos amortiguadores para reducir la emitancia mediante amortiguación de la radiación . Luego, ambos haces se aceleran aún más a 9 GeV en un linac de refuerzo común. Largas líneas de transferencia transportan los dos haces al comienzo de los linacs principales , donde se aceleran hasta 1,5 TeV antes de entrar en el Sistema de Entrega de Haz (BDS), que comprime y hace que los haces colisionen. Los dos haces chocan en el IP con un ángulo de cruce de 20 m rad en el plano horizontal. [5]
Cada complejo Drive Beam está compuesto por un linac de 2,5 km de largo, seguido de un complejo de recombinación de Drive Beam: un sistema de líneas de retardo y anillos combinadores donde los pulsos del haz entrante se entrelazan para formar en última instancia una secuencia de 12 GHz y una corriente de haz local como hasta 100 A. [5] Cada linac Drive Beam de 2,5 km de longitud funciona con klistrones de 1 GHz . Esto produce un haz de 148 μs de largo (para el escenario de etapa de energía de 1,5 TeV) con una frecuencia de agrupación de 0,5 GHz. Cada 244 ns la fase de agrupamiento cambia 180 grados, es decir, los cubos pares e impares a 1 GHz se llenan alternativamente. Esta codificación de fase permite la recombinación del primer factor dos: los grupos impares se retrasan en un bucle de retardo (DL), mientras que los grupos pares lo omiten. El tiempo de vuelo del DL es de aproximadamente 244 ns y está sintonizado en el nivel de picosegundos de modo que los dos trenes de haces pueden fusionarse, formando varios trenes de 244 ns de largo con una frecuencia de agrupación de 1 GHz, separados por 244 ns de espacio vacío. Esta nueva estructura temporal permite una mayor recombinación del factor 3 y del factor 4 en los siguientes anillos combinadores con un mecanismo similar al del DL. La estructura temporal final del haz está formada por varios (hasta 25) trenes de haces de 244 ns de longitud a 12 GHz, espaciados por espacios de aproximadamente 5,5 μs. La recombinación está programada de manera que cada tren combinado llegue a su propio sector de desaceleración, sincronizado con la llegada del haz principal. El uso de klistrones de baja frecuencia (1 GHz) y de longitud de pulso larga (148 μs) para acelerar el haz impulsor y la recombinación del haz lo hace más conveniente que usar klistrones para acelerar directamente el haz principal. [5]
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Los principales desafíos tecnológicos del diseño del acelerador CLIC se han abordado con éxito en varias instalaciones de prueba. La producción y recombinación de Drive Beam y el concepto de aceleración de dos haces se demostraron en el CLIC Test Facility 3 (CTF3) . Las fuentes de RF basadas en klistrón de alta potencia en banda X se construyeron por etapas en las instalaciones de prueba de banda X de alto gradiente (XBOX) del CERN. [16] [17] Estas instalaciones proporcionan la potencia de RF y la infraestructura necesarias para el acondicionamiento y verificación del rendimiento de las estructuras de aceleración CLIC y otros proyectos basados en banda X. Se están llevando a cabo pruebas adicionales de alto gradiente en banda X en las instalaciones de NEXTEF en KEK y en SLAC , se está poniendo en servicio un nuevo banco de pruebas en la Universidad de Tsinghua y se están construyendo más bancos de pruebas en INFN Frascati y SINAP en Shanghai. [18]
Un detector de última generación es esencial para aprovechar todo el potencial físico de CLIC. El diseño actual del detector, denominado CLICdet, se ha optimizado mediante estudios de simulación completos y actividades de I+D. [19] [20] [6] El detector sigue el diseño estándar de los detectores de grandes partículas en colisionadores de alta energía: un volumen detector cilíndrico con una configuración en capas, que rodea el eje del haz. CLICdet tendría unas dimensiones de ~13 × 12 m (alto × largo) y pesaría ~8000 toneladas.
CLICdet consta de cuatro capas principales de radio creciente: vértice y sistema de seguimiento, calorímetros , imán solenoide y detector de muones . [19]
El sistema de vértice y seguimiento está ubicado en la región más interna de CLICdet y tiene como objetivo detectar la posición y los momentos de partículas con un impacto adverso mínimo en su energía y trayectoria . El detector de vértice es cilíndrico con tres capas dobles de materiales detectores con radios crecientes y tiene tres discos segmentados en cada extremo en una configuración en espiral para ayudar a enfriar el flujo de aire. Se supone que están hechos de píxeles de silicio de 25x25 μm2 y un espesor de 50 μm, y el objetivo es tener una resolución de un solo punto de 3 μm. El sistema de seguimiento está hecho de módulos sensores de silicio que se espera que tengan un espesor de 200 μm. [19]
Los calorímetros rodean el vértice y el sistema de seguimiento y tienen como objetivo medir la energía de las partículas mediante absorción. El calorímetro electromagnético (ECAL) consta de ~40 capas de silicio/tungsteno en una estructura tipo sándwich; El calorímetro hadrónico (HCAL) tiene 60 placas absorbentes de acero con material centelleante insertado entre ellas. [19]
Estas capas internas de CLICdet están encerradas en un imán solenoide superconductor con una intensidad de campo de 4 T. Este campo magnético dobla las partículas cargadas, lo que permite medir el impulso y la carga . Luego, el imán está rodeado por un yugo de hierro que contendría detectores de gran área para la identificación de muones. [19]
El detector también tiene un calorímetro de luminosidad (LumiCal) para medir los productos de los eventos de dispersión de Bhabha , un calorímetro de haz para completar la cobertura ECAL hasta un ángulo polar de 10 mrads y un sistema de retroalimentación dentro del tren para contrarrestar la pérdida de luminosidad debido a la dispersión relativa del haz. desplazamientos del haz. [19]
Los estrictos requisitos en materia de presupuesto de material para el vértice y el sistema de seguimiento no permiten el uso de sistemas de refrigeración líquida convencionales para CLICdet. Por lo tanto, se propone utilizar un sistema de enfriamiento de gas seco para esta región interior. Se han incluido espacios de aire en el diseño del detector para permitir el flujo del gas , que será aire o nitrógeno . [21] [22] Para permitir una refrigeración por aire efectiva, es necesario reducir el consumo de energía promedio de los sensores de silicio en el detector de vértices. Por lo tanto, estos sensores funcionarán a través de un esquema de impulsos de energía basado en corriente: cambiando los sensores de un estado de consumo de energía alto a bajo siempre que sea posible, correspondiente a la velocidad de cruce del tren de 50 Hz. [23]
A partir de 2017 [actualizar], aproximadamente el dos por ciento del presupuesto anual del CERN se invierte en el desarrollo de tecnologías CLIC. La primera etapa de CLIC, con una longitud de unos 11 kilómetros, se estima actualmente en un coste de 6.000 millones de francos suizos. [1] CLIC es un proyecto global que involucra a más de 70 institutos en más de 30 países. Consta de dos colaboraciones: la colaboración de física y detectores CLIC (CLICdp) y el estudio del acelerador CLIC. CLIC se encuentra actualmente en la etapa de desarrollo, realizando estudios de rendimiento para piezas y sistemas de aceleradores, tecnología de detectores y estudios de optimización, y análisis de física. Paralelamente, las colaboraciones están trabajando con la comunidad teórica para evaluar el potencial físico de CLIC.
El proyecto CLIC ha presentado dos documentos concisos como aportación a la próxima actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas (ESPP) que resumen el potencial físico de CLIC [24], así como el estado de los proyectos de acelerador y detector de CLIC. [25] La actualización del ESPP es un proceso comunitario, que se espera que concluya en mayo de 2020 con la publicación de un documento de estrategia.
La información detallada sobre el proyecto CLIC está disponible en los Informes Amarillos del CERN, sobre el potencial de CLIC para la Nueva Física, [4] el plan de implementación del proyecto CLIC [5] y las tecnologías de detectores para CLIC. [6] En el Informe resumido de CLIC de 2018 se proporciona una descripción general. [1]
Medios relacionados con el colisionador lineal compacto en Wikimedia Commons
