HERA ( alemán : Hadron - E lektron- Ring A nlage ; inglés: Hadron – E lectron Ring A nlage ) fue un acelerador de partículas en DESY en Hamburgo . Estuvo en funcionamiento desde 1992 hasta el 30 de junio de 2007. [1] [2] En HERA, los electrones o positrones se llevaron a colisión con protones a una energía de centro de masa de 320 GeV . [3] HERA se utilizó principalmente para estudiar la estructura de los protones y las propiedades de los quarks , sentando las bases para gran parte de la ciencia realizada en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el laboratorio de física de partículas del CERN en la actualidad. HERA es el único colisionador de leptones -protones en el mundo hasta la fecha y estaba en la frontera energética en ciertas regiones del rango cinemático.
Para hacer colisionar protones con electrones o positrones, HERA utilizó principalmente imanes superconductores , lo que también fue una primicia mundial. En HERA, fue posible estudiar la estructura de los protones con una precisión hasta 30 veces mayor que antes. La resolución cubrió estructuras de un tamaño de 1/1000 del protón, lo que facilitó muchos descubrimientos relacionados con la composición de protones a partir de quarks y gluones .
El túnel HERA discurre entre 10 y 25 m por debajo del nivel del suelo y tiene una circunferencia de 6,3 km y un diámetro interior de 5,2 m. Para su construcción se utilizó la misma tecnología que para la construcción de túneles de metro. En el interior del tubo se colocaron dos anillos de almacenamiento uno encima del otro. Uno aceleraba los electrones a energías de 27,5 GeV, el otro los protones a energías de 920 GeV en la dirección opuesta. Ambos haces completaban su círculo casi a la velocidad de la luz, haciendo aproximadamente 1000 km/h.47 000 revoluciones por segundo.
Alrededor del anillo hay cuatro regiones de interacción que se utilizaron en los experimentos H1 , ZEUS , HERMES y HERA-B . Todos estos experimentos eran detectores de partículas dirigidos por grupos internacionales de investigadores. Estos grupos desarrollaron, construyeron y operaron los complejos dispositivos de medición de varios pisos en muchos años de trabajo cooperativo y evaluaron enormes cantidades de datos.
Los leptones (electrones o positrones) fueron preacelerados a 450 MeV en el acelerador lineal LINAC II. Desde allí, fueron inyectados en el anillo de almacenamiento DESY II y acelerados aún más a 7,5 GeV antes de su transferencia al anillo de almacenamiento PETRA , donde fueron acelerados a 14 GeV. Finalmente, fueron inyectados en su anillo de almacenamiento en el túnel HERA y alcanzaron una energía final de 27,5 GeV. Este anillo de almacenamiento estaba equipado con imanes calientes (no superconductores) que mantenían a los leptones en su pista circular mediante un campo magnético de 0,17 teslas .
Los protones se obtuvieron a partir de iones de hidrógeno con carga negativa y se aceleraron previamente a 50 MeV en un acelerador lineal. Luego se inyectaron en el sincrotrón de protones DESY III y se aceleraron aún más hasta 7 GeV. Luego se transfirieron a PETRA, donde se aceleraron a 40 GeV. Finalmente, se inyectaron en su anillo de almacenamiento en el túnel HERA y alcanzaron su energía final de 920 GeV. El anillo de almacenamiento de protones utilizó imanes superconductores para mantener los protones en su camino.
El haz de leptones en HERA se polarizó transversalmente de forma natural a través del efecto Sokolov-Ternov . El tiempo de acumulación característico esperado para el acelerador HERA era de aproximadamente 40 minutos. Los rotadores de espín a ambos lados de los experimentos cambiaron la polarización transversal del haz a polarización longitudinal. La polarización del haz de positrones se midió utilizando dos polarímetros independientes, el polarímetro transversal (TPOL) y el polarímetro longitudinal (LPOL). Ambos dispositivos aprovechan la sección transversal dependiente del espín para la dispersión Compton de fotones polarizados circularmente de positrones para medir la polarización del haz. El polarímetro transversal se actualizó en 2001 para proporcionar una medición rápida para cada haz de positrones, y se agregaron detectores de tira de silicio sensibles a la posición y de fibra centelleante para investigar los efectos sistemáticos.
El 30 de junio de 2007, a las 23:23 horas, se cerró el HERA [2] y se inició el desmantelamiento de los cuatro experimentos. El preacelerador principal del HERA, PETRA, se convirtió en una fuente de radiación de sincrotrón , que funciona bajo el nombre de PETRA III desde 2009. En la actualidad, una sección del túnel del HERA y 24 antiguos imanes dipolares superconductores se utilizan para el nuevo experimento ALPS, que busca partículas similares a los axiones . [7] [8]
La construcción de HERA fue uno de los primeros proyectos de esta magnitud financiados realmente a nivel internacional. Hasta ahora, la construcción de las instalaciones científicas siempre la financiaba el país en el que se ubicaban. Los institutos nacionales o extranjeros que realizaban los experimentos eran los únicos que asumían los costes de los experimentos. Debido a la enorme envergadura del proyecto HERA, muchas instituciones internacionales aceptaron participar ya en la construcción.
En la construcción de la instalación participaron más de 45 institutos y 320 corporaciones con donaciones de dinero o materiales, y más del 20% de los costos fueron asumidos por instituciones extranjeras.
Siguiendo el ejemplo de HERA, desde entonces se han financiado de forma conjunta entre varios países numerosos proyectos científicos de gran envergadura. Este modelo se ha consolidado y la cooperación internacional es moderadamente habitual en la construcción de dichas instalaciones. [9]
El H1 era un detector universal de colisiones de electrones y protones, ubicado en el HERA Hall North. Medía 12 m × 10 m × 15 m, pesaba 2800 toneladas y estuvo en funcionamiento desde 1992 hasta 2007. Fue diseñado para investigar la estructura interna del protón, la exploración de la interacción fuerte, así como la búsqueda de nuevos tipos de materia y fenómenos inesperados en la física de partículas. [10]
Al igual que el H1, el ZEUS era un detector de colisiones electrón-protón, ubicado en el HERA Hall South. Medía 12 m × 11 m × 20 m, pesaba 3600 toneladas y estuvo en funcionamiento entre 1992 y 2007. Sus tareas eran similares a las del H1. [10]
HERA-B fue un experimento en el HERA Hall West, que recopiló datos desde 1999 hasta febrero de 2003. Mediante el uso del haz de protones de HERA, los investigadores de HERA-B llevaron a cabo experimentos con quarks pesados. El detector medía 8 m × 20 m × 9 m y pesaba 1000 toneladas. [10]
El experimento HERMES, en el HERA Hall East, funcionó entre 1995 y 2007. El haz de electrones polarizado longitudinalmente de HERA se utilizó para explorar la estructura de espín de los nucleones . Para ello, los electrones se dispersaron a energías de 27,5 GeV en un objetivo de gas interno. Este objetivo y el propio detector se diseñaron especialmente con vistas a la física de espín polarizado. El detector medía 3,5 m × 8 m × 5 m y pesaba 400 toneladas. [10]
53°34′52″N 9°53′13″E / 53.581, -9.887