El Gran Colisionador de Electrones y Positrones ( LEP ) fue uno de los mayores aceleradores de partículas jamás construidos. Se construyó en el CERN , un centro multinacional de investigación en física nuclear y de partículas situado cerca de Ginebra ( Suiza) .
El LEP colisionaba electrones con positrones a energías que alcanzaban los 209 GeV. Se trataba de un colisionador circular con una circunferencia de 27 kilómetros construido en un túnel de aproximadamente 100 m (300 pies) bajo tierra y que atravesaba Suiza y Francia . El LEP se utilizó desde 1989 hasta 2000. Alrededor de 2001 se desmanteló para dar paso al Gran Colisionador de Hadrones , que reutilizó el túnel del LEP. Hasta la fecha, el LEP es el acelerador de leptones más potente jamás construido.
El LEP era un colisionador de leptones circular, el más potente jamás construido. Para contextualizar, los colisionadores modernos pueden clasificarse en general según su forma (circular o lineal) y según los tipos de partículas que aceleran y con las que chocan (leptones o hadrones). Los leptones son partículas puntuales y relativamente ligeras. Como son partículas puntuales, sus colisiones son limpias y se pueden medir con precisión; sin embargo, como son ligeras, las colisiones no pueden alcanzar la misma energía que se puede lograr con partículas más pesadas. Los hadrones son partículas compuestas (formadas por quarks) y son relativamente pesadas; los protones, por ejemplo, tienen una masa 2000 veces mayor que los electrones. Debido a su mayor masa, pueden acelerarse a energías mucho más altas, lo que es clave para observar directamente nuevas partículas o interacciones que no están predichas por las teorías aceptadas actualmente. Sin embargo, las colisiones de hadrones son muy desordenadas (a menudo hay muchas trayectorias no relacionadas, por ejemplo, y no es sencillo determinar la energía de las colisiones) y, por lo tanto, son más difíciles de analizar y menos susceptibles de mediciones de precisión.
La forma del colisionador también es importante. Los colisionadores de física de alta energía recogen partículas en grupos y luego los hacen colisionar entre sí. Sin embargo, solo una fracción muy pequeña de partículas en cada grupo realmente colisiona. En los colisionadores circulares, estos grupos se desplazan alrededor de una forma aproximadamente circular en direcciones opuestas y, por lo tanto, pueden colisionar una y otra vez. Esto permite una alta tasa de colisiones y facilita la recopilación de una gran cantidad de datos, lo que es importante para mediciones de precisión o para observar desintegraciones muy raras. Sin embargo, la energía de los grupos es limitada debido a las pérdidas por radiación de sincrotrón . En los colisionadores lineales, las partículas se mueven en línea recta y, por lo tanto, no sufren la radiación de sincrotrón, pero los grupos no se pueden reutilizar y, por lo tanto, es más difícil recopilar grandes cantidades de datos.
Como colisionador de leptones circular, el LEP era muy adecuado para realizar mediciones precisas de la interacción electrodébil a energías que antes no eran alcanzables.
La construcción del LEP fue una obra de gran envergadura. Entre 1983 y 1988, fue el mayor proyecto de ingeniería civil de Europa. [2]
Cuando el colisionador LEP comenzó a funcionar en agosto de 1989, aceleró los electrones y positrones hasta una energía total de 45 GeV cada uno para permitir la producción del bosón Z , que tiene una masa de 91 GeV. [2] El acelerador se actualizó más tarde para permitir la producción de un par de bosones W, cada uno con una masa de 80 GeV. La energía del colisionador LEP finalmente alcanzó un máximo de 209 GeV al final del año 2000. Con un factor de Lorentz (= energía de la partícula/masa en reposo = [104,5 GeV/0,511 MeV]) de más de 200 000, el LEP todavía ostenta el récord de velocidad del acelerador de partículas, extremadamente cerca de la velocidad límite de la luz. A finales de 2000, el LEP se cerró y luego se desmanteló para hacer espacio en el túnel para la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).
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El LEP se alimentaba con electrones y positrones suministrados por el complejo acelerador del CERN. Las partículas se generaban y aceleraban inicialmente mediante el preinyector LEP , y luego se aceleraban hasta casi la velocidad de la luz mediante el sincrotrón de protones y el supersincrotrón de protones . Desde allí, se inyectaban en el anillo LEP.
Como en todos los colisionadores de anillos , el anillo del LEP estaba formado por muchos imanes que obligaban a las partículas cargadas a seguir una trayectoria circular (para que permanecieran dentro del anillo), aceleradores de RF que aceleraban las partículas con ondas de radiofrecuencia y cuadrupolos que enfocaban el haz de partículas (es decir, mantenían las partículas juntas). La función de los aceleradores era aumentar las energías de las partículas para que se pudieran crear partículas pesadas cuando colisionaran. Cuando las partículas se aceleraban hasta la energía máxima (y se enfocaban en los llamados haces), se hacía que un electrón y un haz de positrones colisionaran entre sí en uno de los puntos de colisión del detector. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan en una partícula virtual , ya sea un fotón o un bosón Z. La partícula virtual se desintegra casi inmediatamente en otras partículas elementales, que luego son detectadas por enormes detectores de partículas .
El Gran Colisionador de Electrones y Positrones tenía cuatro detectores, construidos alrededor de los cuatro puntos de colisión dentro de pasillos subterráneos. Cada uno era del tamaño de una casa pequeña y era capaz de registrar las partículas por su energía , momento y carga, lo que permitía a los físicos inferir la reacción de partículas que había ocurrido y las partículas elementales involucradas. Al realizar un análisis estadístico de estos datos, se obtiene conocimiento sobre la física de partículas elementales . Los cuatro detectores del LEP se llamaron Aleph, Delphi, Opal y L3. Se construyeron de manera diferente para permitir experimentos complementarios .
ALEPH son las siglas de Aparato para la física del pH LEP en el CERN . El detector determinó la masa del bosón W y del bosón Z con una precisión de una parte por mil. Se determinó que el número de familias de partículas con neutrinos ligeros era2,982 ± 0,013 , lo que es consistente con el valor del Modelo Estándar de 3. Se midió el funcionamiento de la constante de acoplamiento de cromodinámica cuántica (QCD) a varias energías y se encontró que funcionaba de acuerdo con los cálculos perturbativos en QCD. [3]
DELPHI significa detector DE con identificación de leptones , fotones y hadrones .
OPAL son las siglas de O mni - Purpose Apparatus for LEP (Aparato Omni-Propósito para LEP ) . El nombre del experimento fue un juego de palabras, ya que algunos de los miembros fundadores de la colaboración científica que propuso por primera vez el diseño habían trabajado anteriormente en el detector JADE en DESY en Hamburgo . [4] OPAL era un detector de propósito general diseñado para recopilar una amplia gama de datos. Sus datos se utilizaron para realizar mediciones de alta precisión de la forma lineal del bosón Z , realizar pruebas detalladas del Modelo Estándar y poner límites a la nueva física. El detector se desmanteló en 2000 para dar paso al equipo LHC . Los bloques de vidrio de plomo del calorímetro electromagnético de barril OPAL se están reutilizando actualmente en los detectores de veto de fotones de gran ángulo en el experimento NA62 en el CERN.
L3 fue otro experimento LEP. [5] Su enorme yugo de retorno magnético octogonal permaneció en su lugar en la caverna y se convirtió en parte del detector ALICE para el LHC.
Los resultados de los experimentos LEP permitieron obtener valores precisos de muchas cantidades del Modelo Estándar —la más importante, la masa del bosón Z y del bosón W (que se descubrieron en 1983 en un colisionador anterior del CERN , el Colisionador Protón-Antiprotón )— y así confirmar el Modelo y sentarlo sobre una base sólida de datos empíricos.
Cerca del final del tiempo de ejecución programado, los datos sugirieron pistas tentadoras pero no concluyentes de que podría haberse observado la partícula de Higgs de una masa de alrededor de 115 GeV, una especie de Santo Grial de la física de alta energía actual . El tiempo de ejecución se extendió por unos meses, sin éxito. La fuerza de la señal se mantuvo en 1,7 desviaciones estándar , lo que se traduce en el nivel de confianza del 91% , mucho menos que la confianza esperada por los físicos de partículas para reclamar un descubrimiento, y estaba en el extremo superior del rango de detección de los experimentos con los datos LEP recopilados. Hubo una propuesta de extender la operación LEP por otro año para buscar confirmación, lo que habría retrasado el inicio del LHC . Sin embargo, se tomó la decisión de cerrar LEP y avanzar con el LHC como estaba planeado.
Durante años, esta observación fue el único indicio de un bosón de Higgs; los experimentos posteriores hasta 2010 en el Tevatron no habían sido lo suficientemente sensibles como para confirmar o refutar estos indicios. [6] Sin embargo, a partir de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS en el LHC presentaron evidencia de una partícula de Higgs alrededor de 125 GeV, [7] y excluyeron firmemente la región de 115 GeV.
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