El Compact Linear Collider ( CLIC ) es un concepto para un futuro acelerador lineal de partículas que pretende explorar la próxima frontera energética . CLIC haría colisionar 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 mi) de longitud, [1] más de diez veces más largo que el actual Acelerador Lineal de Stanford (SLAC) 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 haces comenzarán a funcionar cuando el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) haya terminado sus operaciones 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 de centro de masa de hasta 3 TeV para un alcance físico óptimo . [1] Se están llevando a cabo investigaciones y desarrollos (I+D) para lograr los objetivos de física de alta precisión en condiciones desafiantes de haz y fondo .
El objetivo de CLIC es descubrir nueva física más allá del Modelo Estándar de física de partículas, mediante mediciones precisas 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 LHC completo. [1] El diseño actual de CLIC incluye la posibilidad de polarización del haz de electrones .
La colaboración CLIC produjo un Informe de diseño conceptual (CDR) en 2012, [2] complementado por un escenario de estadificación de energía actualizado en 2016. [3] Estudios detallados adicionales del caso de física para CLIC, un diseño avanzado del complejo 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]
Existen dos tipos principales de colisionadores de partículas, que difieren en los tipos de partículas que colisionan: colisionadores de leptones y colisionadores de hadrones . Cada tipo de colisionador puede producir diferentes estados finales de partículas y puede estudiar diferentes fenómenos físicos. Algunos ejemplos de colisionadores de hadrones son el ISR , el SPS y el LHC en el CERN, y el Tevatron en los EE. UU. Algunos 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 los EE. UU. y el Gran Colisionador de Electrones y Positrones en el CERN. Algunos de estos colisionadores de leptones todavía están en funcionamiento.
Los hadrones son objetos compuestos, lo que da lugar a colisiones más complicadas y limita la precisión alcanzable en las mediciones físicas. Por ejemplo, por eso el Gran Colisionador de Hadrones fue diseñado para funcionar a una energía tan alta, aunque ya se sabía que la partícula de Higgs debería encontrarse en torno a las energías a las que finalmente llegó: la menor precisión de un colisionador de hadrones requería impactos más numerosos y 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 clasificar los colisionadores es por su geometría física: lineal o circular. Los colisionadores circulares se benefician de poder acelerar partículas una y otra vez para alcanzar energías muy altas y de poder intersecar repetidamente sus haces para alcanzar un número muy elevado de colisiones entre partículas individuales.
Por otro lado, están limitados por el hecho de que mantener las partículas circulando significa acelerarlas constantemente hacia el interior. Esto hace que las partículas cargadas emitan radiación de sincrotrón , lo que finalmente 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 alrededor (electrones y positrones) son, como dice el nombre, muy ligeros. Tendrán que ser acelerados a velocidades mucho mayores 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, aún tiene que hacer frente a los problemas de no poder recircular sus haces, lo que, a pesar de que se lo llama "compacto", requiere una escala masiva y un diseño poco convencional para alcanzar las altas aceleraciones lineales requeridas.
Se prevé que el CLIC se construya y opere en tres etapas con diferentes energías en el centro de masas: 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] lo que proporcionará un amplio programa de física durante un período de 27 años. Estas energías en el 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 operará en el umbral de producción de pares de quarks top alrededor de 350 GeV con el objetivo de medir con precisión las propiedades del quark top. [1]
CLIC permitiría la exploración de nuevos rangos de energía, proporcionaría posibles soluciones a problemas sin respuesta y posibilitaría 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 solo puede responder parcialmente a preguntas sobre la verdadera naturaleza de esta partícula, como su naturaleza compuesta/fundamental, las fuerzas de acoplamiento y el posible papel en un sector electrodébil extendido. [2] CLIC podría examinar estas preguntas con más profundidad midiendo los acoplamientos de Higgs con una precisión no lograda antes. [9] La etapa de 380 GeV de CLIC permite, por ejemplo, mediciones precisas e independientes del modelo de acoplamientos de bosones de Higgs a fermiones y bosones a través de los procesos de producción de Higgsstrahlung y fusión WW. La segunda y tercera etapas dan acceso a fenómenos como el acoplamiento top-Yukawa , desintegraciones raras del Higgs y el autoacoplamiento del Higgs. [9]
El quark top, la más pesada de todas las partículas fundamentales conocidas, nunca ha sido estudiado en colisiones electrón - positrón . [10] El colisionador lineal CLIC planea tener un extenso programa de física del quark top. Un objetivo principal de este programa sería un escaneo de umbral alrededor del umbral de producción del par de quarks top (~350 GeV) para determinar con precisión la masa y otras propiedades significativas del quark top. Para este escaneo, CLIC planea actualmente dedicar el 10% del tiempo de ejecución de la primera etapa, recolectando 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 apuntaría a medir los acoplamientos electrodébiles del quark top con el bosón Z y el fotón, ya que las desviaciones de estos valores con respecto a los predichos por el Modelo Estándar podrían ser evidencia de nuevos fenómenos físicos, como dimensiones adicionales. Una observación adicional de desintegraciones de quarks top con corrientes neutrales que cambian de sabor en CLIC sería una indicación indirecta de nueva física, ya que CLIC no debería observarlas según las predicciones actuales del Modelo Estándar . [10]
El CLIC podría descubrir nuevos fenómenos físicos mediante mediciones indirectas o mediante observación directa. Grandes desviaciones en la precisión de las mediciones de las propiedades de las partículas con respecto a las predicciones del Modelo Estándar indicarían indirectamente la presencia de nuevos fenómenos físicos. Estos métodos indirectos permiten acceder a escalas de energía que van 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 hacer a 3 TeV son: usar la producción de pares de muones para proporcionar evidencia de un bosón Z ′ (alcance hasta ~30 TeV) indicando una extensión de calibre simple más allá del Modelo Estándar ; usar dispersión de bosones vectoriales para dar una idea del mecanismo de ruptura de 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] La producción directa de pares de partículas hasta una masa de 1,5 TeV, y la producción de partículas individuales hasta una masa de 3 TeV es posible en CLIC. Debido al entorno limpio de los colisionadores electrón-positrón, CLIC podría medir las propiedades de estas nuevas partículas potenciales 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 de los púlsares sugiere que es muy poco probable que existan 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 cuántica de campos perturbativa se acoplarán fuertemente antes de 1 PeV, lo que conducirá a otra física nueva 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 el consumo de energía a un precio asequible, CLIC utiliza un novedoso esquema de aceleración de dos haces: un llamado haz impulsor corre paralelo al haz principal que choca. El haz impulsor se desacelera en dispositivos especiales llamados estructuras de extracción y transferencia de energía (PETS) que extraen energía del haz impulsor en forma de potentes ondas de radiofrecuencia (RF), que luego se utilizan para acelerar el haz principal. Hasta el 90% de la energía del haz impulsor se extrae y se transfiere de manera eficiente al haz principal. [15]
Los electrones necesarios para el haz principal se producen iluminando un cátodo de tipo GaAs con un láser polarizado de 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 de amortiguación para la reducción de la emitancia por amortiguación de la radiación . Ambos haces se aceleran aún más a 9 GeV en un acelerador lineal de refuerzo común. Las líneas de transferencia largas transportan los dos haces al comienzo de los aceleradores lineales 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 longitud, seguido de un complejo de recombinación Drive Beam: un sistema de líneas de retardo y anillos combinadores donde los pulsos de haz entrantes se entrelazan para formar finalmente una secuencia de 12 GHz y una corriente de haz local de hasta 100 A. [5] Cada linac Drive Beam de 2,5 km de longitud está alimentado por klistrones de 1 GHz . Esto produce un haz de 148 μs de longitud (para el escenario de etapa de energía de 1,5 TeV) con una frecuencia de agrupamiento 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 primera recombinación de factor dos: los racimos impares se retrasan en un bucle de retardo (DL), mientras que los racimos pares lo evitan. El tiempo de vuelo del haz principal es de aproximadamente 244 ns y está ajustado a nivel de picosegundos, de modo que los dos trenes de haces pueden fusionarse, formando varios trenes de 244 ns de longitud con una frecuencia de agrupamiento de 1 GHz, separados por 244 ns de espacio vacío. Esta nueva estructura temporal permite una mayor recombinación de los factores 3 y 4 en los siguientes anillos combinadores con un mecanismo similar al del haz principal. 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 sincronizada de modo que cada tren combinado llega a su propio sector desacelerador, sincronizado con la llegada del haz principal. El uso de klistrones de baja frecuencia (1 GHz) y pulsos de larga duración (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 del haz de accionamiento y el concepto de aceleración de dos haces se demostraron en la Instalación de prueba CLIC 3 (CTF3) . Las fuentes de RF basadas en klistrones de alta potencia de banda X se construyeron en etapas en la instalación de prueba de banda X de alto gradiente (XBOX), CERN. [16] [17] Estas instalaciones proporcionan la potencia de RF y la infraestructura necesarias para el acondicionamiento y la 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 de banda X en la instalación 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 Shanghái. [18]
Para aprovechar todo el potencial físico de CLIC es esencial contar con un detector de última generación . El diseño actual del detector, llamado 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 grandes detectores de partículas en los colisionadores de alta energía: un volumen de detector cilíndrico con una configuración en capas que rodea el eje del haz. CLICdet tendría unas dimensiones de ~13 × 12 m (altura × longitud) y pesaría ~8000 toneladas.
CLICdet consta de cuatro capas principales de radio creciente: sistema de vértice y seguimiento, calorímetros , imán solenoide y detector de muones . [19]
El sistema de vértice y seguimiento se encuentra en la región más interna de CLICdet y tiene como objetivo detectar la posición y los momentos de las partículas con un impacto adverso mínimo en su energía y trayectoria . El detector de vértice es cilíndrico con tres capas dobles de materiales detectores en radios crecientes y tiene tres discos segmentados en cada extremo en una configuración en espiral para ayudar al enfriamiento del flujo de aire. Se supone que están hechos de píxeles de silicio de 25x25 μm2 de espesor 50 μm, y el objetivo es tener una resolución de punto único de 3 μm. El sistema de seguimiento está hecho de módulos de sensor de silicio que se espera que tengan un espesor de 200 μm. [19]
Los calorímetros rodean el vértice y el sistema de seguimiento y su objetivo es 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 de solenoide superconductor con una intensidad de campo de 4 T. Este campo magnético dobla las partículas cargadas, lo que permite realizar mediciones de momento y carga . El imán está rodeado por un yugo de hierro que contendría detectores de área grande para la identificación de muones. [19]
El detector también tiene un calorímetro de luminosidad (LumiCal) para medir los productos de los eventos de dispersión Bhabha , un calorímetro de haz para completar la cobertura ECAL hasta un ángulo polar de 10 mrads y un sistema de retroalimentación intra-tren para contrarrestar la pérdida de luminosidad debido a los desplazamientos relativos entre haces. [19]
Los estrictos requisitos sobre el 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 que se utilice un sistema de refrigeración de gas seco para esta región interior. Se han tenido en cuenta los 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 eficaz, es necesario reducir el consumo medio de energía de los sensores de silicio en el detector de vértice. Por lo tanto, estos sensores funcionarán a través de un esquema de pulsos de energía basado en la corriente: cambiando los sensores de un estado de consumo de energía alto a bajo siempre que sea posible, correspondiente a la tasa de cruce del tren de haces 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 alrededor de 11 km (7 mi), actualmente se estima que tendrá un costo de seis mil millones de CHF. [1] CLIC es un proyecto global que involucra a más de 70 institutos en más de 30 países. Consiste en dos colaboraciones: la colaboración de detectores y física CLIC (CLICdp) y el estudio del acelerador CLIC. CLIC se encuentra actualmente en la etapa de desarrollo, realizando estudios de rendimiento para partes 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 aportes 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 aceleradores y detectores CLIC. [25] La actualización de la ESPP es un proceso a nivel comunitario, que se espera que concluya en mayo de 2020 con la publicación de un documento de estrategia.
Hay información detallada sobre el proyecto CLIC 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 detección para CLIC. [6] Se proporciona una descripción general en el Informe resumido de CLIC de 2018. [1]
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