Hace años el gran físico Leon Lederman me dijo que una de las grandes diferencias entre los físicos de partículas y los astrofísicos era la forma en la que presentábamos nuestros proyectos. Nosotros prometíamos descubrimientos como la partícula de Higgs mientras que ellos nos hacían soñar con ver más lejos y mejor.
Cuando en 2011 empezamos la aventura del Gran Colisionador de Hadrones a Alta Luminosidad (HL-LHC o Hilumi para los amigos) me acordé mucho de él. Me acordé porque, por aquel entonces, nos faltaba todavía un poco para poder decir que habíamos descubierto el bosón de Higgs pero ya empezábamos a ver que estaba allí. No podíamos proponer HL-LHC como un instrumento que con certeza descubriría nuevas partículas y, a pesar de eso, estábamos seguros de que teníamos que estudiar la factibilidad de Hilumi y poder proponer un nuevo instrumento para ver más lejos y mejor.
Han pasado casi siete años desde entonces y hace unas semanas tuvo lugar la ceremonia de inicio de los trabajos de ingeniería civil de Hilumi. Siete años para estudiar, concebir y hacer prototipos de los equipos que aumentarán el rendimiento y la luminosidad del LHC, y así la probabilidad de que se descubran nuevos fenómenos físicos. Siete años uniendo esfuerzos y entusiasmo.
El bosón de Higgs, desde todos los ángulos
Actualmente hay 29 institutos de 13 países contribuyendo a la construcción de los componentes de Hilumi, casi 50 si consideramos todos los tipos de contribuciones. El primer estudio que se culminó en 2015 con el primer informe del diseño técnico (TDR) dio una larga lista de componentes que reemplazar. Cerca de 1,2 Kilómetros del LHC actual serán desmontados y reinstalados con nuevos imanes, colimadores, cavidades de radiofrecuencia, sistemas de vacío, instrumentación para ver el haz… En total, más de 200 componentes diferentes.
A eso se suma más de un kilómetro de túneles, galerías y cavernas. Si lo viéramos en su conjunto y no como una mejora de un acelerador existente, sería el mayor acelerador en construcción de la actualidad.
Pero, volvamos a la razón de hacer Hilumi. El LHC puede producir hasta mil millones de colisiones protón-protón por segundo. Los cambios previstos en las próximas dos paradas técnicas que tendrán lugar entre 2019-2020 y 2024-2026 permitirán obtener unas 10 veces más datos que durante la operación actual.
Esto significa que los físicos podremos investigar fenómenos raros y realizar mediciones más precisas. El HL-LHC permitirá explorar el bosón de Higgs desde todos los ángulos. Veremos con mayor precisión sus propiedades y estudiaremos cómo se produce, cómo se descompone y cómo interactúa con otras partículas. Además, se investigarán los escenarios que van más allá del Modelo Estándar, incluida la supersimetría (SUSY), las teorías sobre las dimensiones adicionales y la subestructura del quark.
¿Cómo se incrementa la luminosidad?
El aumento de la luminosidad se conseguirá gracias a tres factores diferentes. El primero consiste en mejorar la cadena de inyección de LHC. Estos trabajos son un proyecto en sí mismos (LIU) y permitirán casi doblar la luminosidad actual.
El segundo se centra en los componentes que hoy en día limitan la luminosidad del haz. Para eliminar estas limitaciones se construirán nuevos imanes, en particular los llamados cuadrupolos de inserción que utilizan un cable superconductor en Nb3Sn.
También se instalarán “cavidades de cangrejo” para maximizar la superposición de los paquetes de partículas en los puntos de colisión. Estos y otros componentes permitirán cambiar la operación del haz y comprimir los paquetes de partículas en los puntos de interacción (ATLAS y CMS) y pasar de las 40 colisiones actuales a unas 140 futuras cada vez que se cruzan los haces en los detectores.
Finalmente, el otro ingrediente clave para aumentar la luminosidad integrada es mejorar la disponibilidad del LHC. Cuantos más días se pueda hacer funcionar el acelerador y cuanto más tiempo pueda circular el haz sin perdidas ni paradas innecesarias, más datos se podrán tomar. Por esto, HL-LHC incluye la reubicación de equipos para que sean más accesibles para el mantenimiento, la mejora de decenas de componentes y nueva instrumentación.
Una nueva Física
Los nuevos componentes que se construirán han sido diseñados pensando en su operatividad más allá de los valores nominales y con tecnologías que serán necesarias si se piensa construir en un futuro no muy lejano un nuevo acelerador que aumente esta vez la energía de las colisiones. EL HL-LHC no solo permitirá hacer nueva Física; también explora y transfiere a la industria las tecnologías que serán necesarias si nos quedamos a las puertas de un nuevo descubrimiento.
Decir que HL-LHC se reduce a los cambios del acelerador sería reductivo e incorrecto. Los detectores ATLAS y CMS tienen un inmenso reto por delante no menos difícil y desafiante. Físicos e ingenieros de todo el mundo están diseñando esos “ojos” que nos permitirán “ver” el resultado de las colisiones. Un trabajo que bien vale varios artículos apasionantes en esta publicación.
Como dicen nuestros amigos teóricos, ¡que Hilumi sea el nuevo barco que permita a Cristóbal Colón ver que no llegó a las Indias, sino que descubrió un nuevo continente!