El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad ( HL-LHC ; anteriormente conocido como HiLumi LHC ) es una actualización 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 liderado 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 el HL-LHC se convirtió en un proyecto del CERN en toda regla. [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 generará 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 inversa de femtobarn (fb −1 ) mide la luminosidad integrada en el tiempo en términos del número de colisiones por femtobarn de la sección transversal del objetivo . El aumento de la luminosidad integrada para los principales experimentos del LHC antes mencionados brindará una mejor oportunidad de observar procesos raros y mejorar las mediciones estadísticamente marginales. [11] [12]
Existen muchos caminos diferentes para actualizar 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 espaciado de los haces, o un aumento significativo de la longitud y la población de los haces. El aumento máximo de luminosidad integrada de la luminosidad nominal existente del LHC (1⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 ) es aproximadamente un factor de 4 mayor que el rendimiento del LHC en su luminosidad máxima de 2⋅10 34 cm −2 ⋅s − 1 , desafortunadamente 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 máxima del LHC en un factor de 10 más allá del nominal hacia 1⋅. 10 35 cm −2 ⋅s −1 .
El pico de luminosidad en el LHC estaba limitado debido a la capacidad de enfriamiento de sus imanes tripletes y, en segundo lugar, debido a 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 5⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 y lo más probable es que se eleve a 7,5⋅10 34 cm −2 ⋅s −1 . [9]
La actualización del HL-LHC, aplicable a casi todos los experimentos importantes 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 raros. 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 importante para lograr los objetivos que se describen a continuación. Por lo tanto, la motivación para la construcción de una gran infraestructura subterránea en HL-LHC es tener una máquina altamente eficiente y confiable que pueda entregar la luminosidad integrada requerida.
Por tanto, los principales objetivos del HL-LHC pertenecen a las siguientes cinco categorías; mediciones mejoradas del Modelo Estándar , búsquedas de física más allá del Modelo Estándar (BSM) , física del sabor de quarks y leptones pesados , estudios de las propiedades del bosón de Higgs y estudios de materia QCD a alta densidad y temperatura. [17] [10]
El objetivo principal sigue siendo medir el bosón de Higgs y comprender su conexión con la ruptura de la simetría electrodébil . En el ámbito 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 Yukawa . HL-LHC también contribuirá al conocimiento de las funciones de distribución de partones (PDF) midiendo varios procesos del modelo estándar con chorros, quarks superiores , fotones y bosones calibre electrodébiles en su estado final. La producción de chorros y fotones en las colisiones de iones pesados forma la base de las sondas de la teoría de perturbaciones QCD , y el HL-LHC medirá esto a escalas de energía muy altas. Debido a estas colisiones de alta energía, el HL-LHC también tiene la posibilidad de detectar fenómenos BSM como la bariogénesis , la materia oscura , respuestas al problema del sabor , masas de neutrinos y conocimientos sobre el problema CP fuerte . [17] [10] [18] [19]
Las mejoras en los inyectores de iones pesados también están en marcha y brindarían aún más oportunidades para observar fenómenos muy raros y buscar la física BSM.
El proyecto HL-LHC se inició en 2010 y el siguiente es el cronograma hasta 2020, seguido de las etapas futuras tentativas. [7]
2010: Se estableció HL-LHC en el CERN como estudio de diseño.
2011: Se aprobó e inició el estudio de diseño HL-LHC del FP7. [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] Seguido de lo cual se validaron las piezas de hardware compuestas por componentes y modelos.
Entre 2018 y 2020: Se probaron los prototipos y se publicó el informe final de Diseño Técnico. [7] También se llevaron a cabo los trabajos de excavación subterránea. Aunque los trabajos de ingeniería civil y el proceso de creación de prototipos continuarían hasta finales de 2021.
Entre 2019 y 2024: Está prevista la construcción y prueba de piezas de hardware.
2021-2023: Se entregarían todas las fijaciones de superficie.
2022-2024: Se instalará la cadena triplete interior seguida de su prueba de funcionamiento.
2025-2027: Está previsto instalar nuevos imanes, cavidades de cangrejo, plantas criogénicas, colimadores, enlaces superconductores, equipos auxiliares y absorbentes. [7]
Si todas las actividades planificadas anteriormente se completan según el cronograma, el HL-LHC podría comenzar su operación física en 2028. [9]
Las siguientes actualizaciones de los sistemas de las máquinas constituyen 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 , a diferencia de los 8 teslas del LHC. Estos imanes superconductores compuestos de un compuesto intermetálico de niobio-estaño (Nb 3 Sn) se instalarían alrededor del detector CMS y ATLAS. Un proyecto conjunto de diez años de duración entre el CERN, el Laboratorio Nacional Brookhaven , Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, conocido como Programa de Investigación del Acelerador LHC del Departamento de Energía de los Estados Unidos (US-LARP), construyó y probó con éxito dichos imanes cuadrupolos. [22] [23] [24] [25] 20 cuadrupolos 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 sustituir dos de los imanes dipolares del LHC por otros más pequeños. Serían más fuertes (11 tesla) que los imanes dipolares del LHC (8,3 tesla) y más potentes para doblar las trayectorias del haz. Actualmente se encuentran en fase de producción seis dipolos de 11 T. [26] Estos imanes probablemente se instalarían sólo 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 las vigas en la dirección requerida. Esta inclinación maximiza la superposición entre los haces en colisión, lo que lleva a un aumento de la luminosidad instantánea alcanzable. ATLAS y CMS juntos tendrán 16 cavidades de cangrejo; lo que dará impulso transversal a las vigas 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. Por lo tanto, mantener la intensidad a un nivel constante durante toda la vida útil del haz es un gran desafío. Sin embargo, 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 permanezca constante. [6] [27]
Criogenia: La implementación del HL-LHC requeriría plantas criogénicas más grandes , además de refrigeradores más grandes de 1,8 Kelvin, junto con intercambiadores de calor de subenfriamiento. También se desarrollarán nuevos circuitos de refrigeración. La mayoría de estas actualizaciones son para 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 máquinas y colimadores: Los colimadores son responsables de absorber cualquier partícula adicional que se desvíe de la trayectoria original del haz y que potencialmente pueda dañar las máquinas. Las luminosidades más altas seguramente generarán partículas tan altamente energéticas. Por lo tanto, el diseño del HL-LHC contiene formas de prevenir daños reemplazando 60 de 118 colimadores y agregando alrededor de 20 nuevos. Los colimadores mejorados también tendrán una menor interferencia electromagnética con los haces. [27] [29]
Líneas eléctricas 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 HL-LHC, se realizarán cambios significativos en el inyector de protones. Los haces que llegan al LHC son preacelerados mediante 4 aceleradores siguientes.
Estos cuatro aceleradores, conocidos en conjunto como Inyectores, se actualizarán a través del proyecto LHC Injector Upgrade (LIU) durante el Long Shutdown 2 (LS2). [30] [31] La LIU es responsable de enviar haces de muy alto brillo al HL-LHC. Los inyectores de protones se actualizarán para producir haces de protones con el doble de luminosidad original y 2,4 veces el brillo .
La sustitución del Acelerador Lineal 2 (Linac2, que entregaba los haces de protones) por el Acelerador Lineal 4 (Linac4) se logró en 2020. [32] El Linac4 es un acelerador lineal de 160 MeV y emite haces H − con el doble de brillo del haz en comparación con sus homólogos más antiguos. [9] [29] [30] LIU también actualizó la fuente de iones H − de plasma de radiofrecuencia cesiada que alimenta Linac4. El desafío aquí era tener un haz fuente de alta corriente y baja emitancia. [33]
También se están diseñando actualizaciones de los inyectores de iones pesados mediante las actualizaciones del anillo de iones de baja energía (LEIR) y Linac3 . [31] [34] El sistema de extracción de fuente de Linac3 fue rediseñado y, al final de LS2, aumentó con éxito la intensidad del haz de fuente extraído en un 20%. [35]
Para hacer frente al aumento de la luminosidad, el número de interacciones simultáneas de partículas, la enorme cantidad de datos y la radiación del entorno del HL-LHC, se actualizarán los detectores.
ALICE: La actualización aumentará en 20 años la vida útil del calorímetro Tile (TileCal), que es un calorímetro hadrónico sensible a partículas cargadas. El tubo de viga de ALICE también será sustituido por uno de menor diámetro. El sistema de seguimiento y las cámaras de proyección del 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 actualizará para identificar los electrones y fotones de forma más eficaz. La electrónica de lectura principal del calorímetro se reemplazará por completo para permitir que el detector identifique interacciones de partículas raras. Estos cambios están previstos para el Long Shutdown 3 (LS3) del LHC. [36] [29] [10]
CMS: CMS llevará a cabo numerosas mejoras en su sistema de seguimiento interno, el sistema de activación, el calorímetro y los sistemas de detección de muones durante 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 actualizaciones y se convertirá en FASER-2 para utilizar plenamente las capacidades del HL-LHC. Tendrá un volumen de desintegración de 10 m 3 , que es 3 órdenes de magnitud mayor que FASER y aumentará el rango de sensibilidad en 4 órdenes de magnitud. Explorará el régimen de fotones oscuros , bosones de Higgs oscuros , leptones neutros pesados y acoplamiento de bosones de calibre débil . También contará con 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 hacer frente al aumento de las tasas de interacción de partículas y radiación. [29] [10]
MoEDAL: Para los LHC Run-3, MoEDAL implementará un nuevo subdetector llamado Aparato de MoEDAL para la detección de partículas penetrantes (MAPP). Para HL-LHC, MAPP-1 se actualizaría a MAPP-2. [38]
Detector de dispersión y neutrinos (SND): SND y comenzará su primera operación recién en 2022, durante el LHC Run-3. El plan de actualización del SND en el HL-LHC es continuar desarrollando el detector con el objetivo de mejorar las estadísticas de eventos de colisión y ampliar 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 central exclusivos en el HL-LHC con una versión mejorada del PPS de haz cercano. [40]
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