El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad ( HL-LHC ; anteriormente conocido como HiLumi LHC , Super LHC y SLHC ) es una versión mejorada del Gran Colisionador de Hadrones , operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), ubicado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra . De 2011 a 2020, el proyecto estuvo dirigido por Lucio Rossi . En 2020, el papel principal lo asumió Oliver Brüning. [1] [2] [3]
La actualización comenzó como un estudio de diseño en 2010, para el cual se asignó una subvención del Séptimo Programa Marco Europeo en 2011, [4] [5] con el objetivo de impulsar el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física. El estudio de diseño fue aprobado por el Consejo del CERN en 2016 y HL-LHC se convirtió en un proyecto de pleno derecho del CERN. [6] [7] El trabajo de actualización está actualmente en progreso y se espera que los experimentos de física comiencen a tomar datos como muy pronto en 2028. [8] [9]
El proyecto HL-LHC proporcionará colisiones protón-protón a 14 TeV con una luminosidad integrada de3 ab −1 para los experimentos ATLAS y CMS ,50 fb −1 para LHCb y 5 fb −1 para ALICE . En el sector de iones pesados , las luminosidades integradas de13 nb −1 ySe entregarán 50 nb −1 para colisiones plomo-plomo y protón-plomo , respectivamente. [10] La unidad femtobarn inverso (fb −1 ) mide la luminosidad integrada en el tiempo en términos de la cantidad de colisiones por femtobarn de la sección transversal del objetivo . El aumento en la luminosidad integrada para los experimentos principales del LHC antes mencionados brindará una mejor oportunidad de ver procesos raros y mejorar las mediciones estadísticamente marginales. [11] [12]
Existen muchos caminos diferentes para mejorar los colisionadores . La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) mantiene una colección de diferentes diseños de regiones de interacción de alta luminosidad . [13] En 2006 se celebró un taller para establecer las opciones más prometedoras. [14] [15]
El aumento de la luminosidad del LHC implica la reducción del tamaño del haz en el punto de colisión, y la reducción de la longitud y el espaciamiento de los haces, o un aumento significativo de la longitud y la población de los haces. El aumento máximo de luminosidad integrado de la luminosidad nominal actual del LHC (1⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 ) es aproximadamente un factor de 4 mayor que el rendimiento del LHC en su luminosidad pico de 2⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 , lamentablemente muy por debajo de la ambición inicial del proyecto de actualización del LHC de un factor de 10. Sin embargo, en el taller LUMI'06, [14] se propusieron varias sugerencias que aumentarían la luminosidad pico del LHC en un factor de 10 más allá de la nominal hacia 1⋅10 35 cm −2 ⋅s −1 .
La luminosidad máxima del LHC estaba limitada por la capacidad de enfriamiento de sus imanes tripletes y, en segundo lugar, por los límites del detector. La mayor tasa de eventos resultante planteó desafíos para los detectores de partículas ubicados en las áreas de colisión. [16] A través de las actualizaciones en curso, se espera que la luminosidad máxima del HL-LHC sea de 5⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 y, muy probablemente, se elevaría a 7,5⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 . [9]
La actualización del HL-LHC, que se puede aplicar a casi todos los experimentos principales del LHC, tiene una amplia gama de objetivos físicos. Aumentar el número de colisiones a 140 (cada vez que los haces de partículas de protones se encuentran en el centro de los detectores ATLAS y CMS) desde el número actual de 30, abrirá una serie de nuevas vías para observar procesos y partículas raras. El aumento de la luminosidad integrada , o evidentemente los conjuntos de datos de eventos de colisión más grandes que se acumularían a través del HL-LHC en el caso de todos los experimentos del LHC, es el aspecto más significativo para lograr los objetivos descritos a continuación. Por lo tanto, la motivación para la construcción de una gran infraestructura subterránea en el HL-LHC es tener una máquina de alta eficiencia y alta confiabilidad que pueda proporcionar la luminosidad integrada requerida.
Los principales objetivos del HL-LHC pertenecen a las siguientes cinco categorías: mejoras en las mediciones del Modelo Estándar , búsquedas de física más allá del Modelo Estándar (BSM) , física del sabor de los quarks pesados y los leptones , estudios de las propiedades del bosón de Higgs y estudios de la materia QCD a alta densidad y temperatura. [17] [10]
Las mediciones del bosón de Higgs y la comprensión de su conexión con la ruptura de la simetría electrodébil siguen siendo el objetivo principal. En el dominio de la física del sabor; LHCb, ATLAS y CMS juntos probarán la unitaridad de la matriz Cabibbo–Kobayashi–Maskawa , y ATLAS y CMS medirán las propiedades del quark top , el fermión con la mayor masa conocida y el mayor acoplamiento de Yukawa . HL-LHC también aumentará el conocimiento de las funciones de distribución de partones (PDF) midiendo varios procesos del Modelo Estándar con los jets, quarks top , fotones y bosones de calibración electrodébiles en su estado final. La producción de jets y fotones en las colisiones de iones pesados forma la base de las sondas de la teoría de perturbación de QCD , y HL-LHC medirá esto a escalas de energía muy altas. Debido a estas colisiones de alta energía, también existe la posibilidad de que HL-LHC detecte fenómenos BSM como bariogénesis , materia oscura , respuestas al problema del sabor , masas de neutrinos y conocimientos sobre el problema CP fuerte . [17] [10] [18] [19]
Las actualizaciones de los inyectores de iones pesados también están en curso y brindarían aún más oportunidades para observar fenómenos muy raros y buscar la física BSM.
El proyecto HL-LHC se inició en 2010 y a continuación se presenta el cronograma hasta 2020, seguido de las etapas futuras tentativas. [7]
2010: HL-LHC se estableció en el CERN como un estudio de diseño.
2011: Se aprobó y comenzó el estudio de diseño del HL-LHC del 7PM. [4]
2014: Se publicó el primer informe preliminar sobre el estudio de diseño. [20]
2015: Se puso a disposición el presupuesto y el cronograma junto con el informe de diseño técnico. [21]
2016: El Consejo del CERN aprobó el proyecto HL-LHC con su presupuesto y calendario iniciales. [7] Después de lo cual se validaron las partes de hardware que consisten en componentes y modelos.
Entre 2018 y 2020: Se probaron los prototipos y se publicó el informe técnico final de diseño. [7] También se llevaron a cabo los trabajos de excavación subterránea. Aunque el proceso de obra civil y prototipado continuaría hasta finales de 2021.
Entre 2019 y 2024: Está prevista la construcción y prueba de piezas de hardware.
2021-2023: Se entregarán todas las fijaciones de superficie.
2022-2024: Se instalará la cuerda triplete interior y luego se realizará una prueba de funcionamiento.
2025-2027: Se planea instalar nuevos imanes, cavidades de cangrejo, plantas criogénicas, colimadores, enlaces superconductores, equipos auxiliares y absorbedores. [7]
Si todas las actividades planificadas anteriormente se completan según el cronograma, HL-LHC podría comenzar su operación física en 2028. [9]
Las siguientes actualizaciones de los sistemas de máquinas forman el núcleo del nuevo HL-LHC.
Imanes cuadrupolares: Los potentes imanes junto con los enormes anillos son un aspecto necesario de la funcionalidad del LHC. El HL-LHC tendrá imanes cuadrupolares con una fuerza de 12 teslas en lugar de los 8 teslas del LHC. Estos imanes superconductores, compuestos de niobio-estaño (Nb 3 Sn) intermetálicos , se instalarían alrededor del detector CMS y ATLAS. Un proyecto conjunto de diez años de duración entre el CERN, el Laboratorio Nacional de Brookhaven , el Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, conocido como el Programa de Investigación del Acelerador del LHC del Departamento de Energía de los Estados Unidos (US-LARP), construyó y probó con éxito estos imanes cuadrupolares. [22] [23] [24] [25] 20 cuadrupolares tripletes internos están en fase de producción en el CERN y en los EE. UU. [26]
Imanes dipolares: Para insertar los nuevos colimadores , será necesario reemplazar dos de los imanes dipolares del LHC por otros más pequeños. Serían más potentes (11 teslas) que los imanes dipolares del LHC (8,3 teslas) y tendrían más poder para doblar las trayectorias de los rayos. Actualmente, hay seis dipolos de 11 teslas en fase de producción. [26] Estos imanes probablemente se instalarían solo después de que el HL-LHC esté completamente implementado, aunque la decisión final aún está por llegar.
Cavidades de cangrejo: La función de las cavidades de cangrejo es inclinar y proyectar los haces en la dirección requerida. Esta inclinación maximiza la superposición entre los haces en colisión, lo que conduce a un aumento en la luminosidad instantánea alcanzable. ATLAS y CMS juntos tendrán 16 cavidades de cangrejo; lo que dará un impulso transversal a los haces para aumentar la probabilidad de colisión. [27] [28] [29]
Óptica del haz: según el diseño actual del HL-LHC, la intensidad del haz disminuirá debido a la quema de los haces de protones que circulan dentro del colisionador. Mantener la intensidad a un nivel constante durante la vida útil del haz es, por lo tanto, un gran desafío. No obstante, el plan es tener al menos un sistema que permita que el enfoque del haz o la concentración de los haces antes de la colisión permanezcan constantes. [6] [27]
Criogenia: La implementación del HL-LHC requeriría plantas criogénicas más grandes , además de refrigeradores de 1,8 Kelvin más grandes, junto con intercambiadores de calor de subenfriamiento. También se desarrollarán nuevos circuitos de enfriamiento. La mayoría de estas mejoras son para los puntos de interacción, P1, P4, P5 y P7. Mientras que P1, P4 y P5 recibirán nuevas plantas criogénicas, P7 tendrá nuevos circuitos criogénicos. [27] [29]
Protección de las máquinas y colimadores: Los colimadores son responsables de absorber cualquier partícula adicional que se desvíe de la trayectoria original del haz y que pueda dañar las máquinas. Las luminosidades más altas generan partículas altamente energéticas. El diseño del HL-LHC contiene formas de prevenir daños reemplazando 60 de los 118 colimadores y agregando alrededor de 20 nuevos. Los colimadores mejorados también tendrán una menor interferencia electromagnética con los haces. [27] [29]
Líneas de transmisión de energía superconductoras: para cumplir con los requisitos del acelerador HL-LHC, se utilizarán líneas de transmisión de energía superconductoras hechas de diboruro de magnesio (MgB 2 ) para transmitir la corriente de aproximadamente 100.000 amperios. [27] [29]
Como parte del proyecto HL-LHC, se realizarán cambios significativos en el inyector de protones. Los haces que llegan al LHC son preacelerados por los siguientes 4 aceleradores.
Los cuatro aceleradores, conocidos en conjunto como inyectores, se actualizarán a través del proyecto de actualización de inyectores del LHC (LIU) durante el Long Shutdown 2 (LS2). [30] [31] El LIU es responsable de entregar haces de muy alto brillo al HL-LHC. Los inyectores de protones se actualizarán para producir haces de protones con el doble de la luminosidad original y 2,4 veces el brillo .
En 2020 se logró reemplazar el Acelerador Lineal 2 (Linac2, que suministraba los haces de protones) por el Acelerador Lineal 4 (Linac4). [32] El Linac4 es un acelerador lineal de 160 MeV y suministra haces de H− con el doble de brillo en comparación con sus contrapartes más antiguas. [9] [29] [30] LIU también actualizó la fuente de iones H− de plasma de radiofrecuencia cesiada que alimenta al Linac4. El desafío aquí era tener un haz fuente de alta corriente y baja emitancia. [33]
También se están diseñando mejoras en el inyector de iones pesados mediante las mejoras en el anillo de iones de baja energía (LEIR) y Linac3 . [31] [34] Se rediseñó el sistema de extracción de fuente de Linac3 y, al final de LS2, aumentó con éxito la intensidad del haz de la fuente extraída en un 20 %. [35]
Para manejar la mayor luminosidad, el número de interacciones simultáneas de partículas, la enorme cantidad de datos y la radiación del entorno HL-LHC, se actualizarán los detectores.
ALICE: La actualización aumentará la vida útil del calorímetro Tile (TileCal), que es un calorímetro hadrónico sensible a partículas cargadas, en 20 años. El tubo de rayos de ALICE también será reemplazado por uno de menor diámetro. El sistema de seguimiento y las cámaras de proyección de tiempo se actualizarán junto con un nuevo detector de activación de interacción más rápida. [29] [10]
ATLAS: El calorímetro de argón líquido de ATLAS se modernizará para identificar los electrones y fotones de forma más eficaz. La electrónica de lectura principal del calorímetro se sustituirá por completo para que el detector pueda identificar interacciones de partículas raras. Estos cambios están previstos para la tercera parada prolongada (LS3) del LHC. [36] [29] [10]
CMS: CMS llevará a cabo numerosas mejoras en su sistema de seguimiento interno, el sistema de disparo, el calorímetro y los sistemas de detección de muones durante el Long Shutdown 2 (LS2) y LS3. Estos cambios se basan en las densidades de acumulación esperadas y el aumento de la radiación debido a la mayor luminosidad. También se planean cambios similares para el experimento ATLAS. [29] [10]
FASER-2: El experimento FASER del LHC se someterá a varias mejoras y se convertirá en FASER-2 para aprovechar al máximo las capacidades del HL-LHC. Tendrá un volumen de desintegración de 10 m 3 , que es 3 órdenes de magnitud mayor que el de FASER y aumentará el rango de sensibilidad en 4 órdenes de magnitud. Investigará el régimen de fotones oscuros , bosones de Higgs oscuros, leptones neutros pesados y acoplamiento de bosones de calibre débil . También tendrá el subdetector FASERnu para observaciones de neutrinos y antineutrinos. [37]
LHCb: LHCb recibirá cámaras de vacío centrales de apertura reducida durante LS2. El detector Vertex Locator (VELO), que mide los vértices primarios y desplazados de partículas de vida corta, se mejorará para cumplir con el aumento de la radiación y las tasas de interacción de partículas. [29] [10]
MoEDAL: Para la tercera ejecución de los LHC, MoEDAL implementará un nuevo subdetector llamado Aparato de MoEDAL para la detección de partículas penetrantes (MAPP). Para el LHC de alto rendimiento, el MAPP-1 se actualizaría a MAPP-2. [38]
Detector de dispersión y neutrinos (SND): el SND comenzará a funcionar por primera vez recién en 2022, durante la tercera ejecución del LHC. El plan de actualización del SND en el HL-LHC es continuar desarrollando el detector con el objetivo de mejorar las estadísticas de los eventos de colisión y expandir su rango de pseudorapidez para estudios de producción de quarks pesados e interacciones de neutrinos . [39]
TOTEM : La colaboración TOTEM -CMS, que ha estado operando el Espectrómetro de Precisión de Protones (PPS) desde 2016, medirá los eventos de producción exclusivos centrales en el HL-LHC con una versión mejorada del PPS de haz cercano. [40]
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