El LHC comienza a tomar datos a energías récord

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Tras las celebraciones del décimo aniversario del descubrimiento del bosón de Higgs, el martes 5 de julio de 2022 comienza un nuevo periodo de toma de datos para los experimentos del acelerador de partículas más potente del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, tras más de tres años de trabajos de actualización, mejoras y mantenimiento.

Los haces ya han estado circulando por el complejo de aceleradores del CERN desde abril, con el LHC y sus inyectores puestos en marcha para operar con nuevos haces de mayor intensidad y energía. Ahora, los operadores del LHC están listos para anunciar “haces estables”, condición que permite a los experimentos encender todos sus subsistemas y comenzar a tomar datos que se utilizarán para el análisis de la física recogida.

El LHC funcionará las 24 horas del día durante 4 años aproximadamente, a la energía récord de 13,6 billones de electronvoltios (TeV), acercándose al máximo al que puede operar (14 TeV).

“Enfocaremos los haces de protones en los puntos de interacción hasta alcanzar un tamaño de haz inferior a 10 micras, para aumentar así la tasa de colisión. En comparación con el primer periodo de toma de datos (Run 1), en el que se descubrió el bosón de Higgs con 12 femtobarns inversos, en el Run 3 trabajaremos con 280 femtobarns inversos, un aumento significativo que abre el camino a nuevos descubrimientos”, dice el director de aceleradores Mike Lamont. Un femtobarn inverso es una medida del número de colisiones o de la cantidad de datos recogidos, que corresponde a unos 70 billones de colisiones protón-protón.

Retransmisión en directo del inicio del Run 3

El comienzo del Run 3 se va a retransmitir en directo este martes y a través de los canales y redes sociales del CERN, a partir de las 16:00 h (hora peninsular española).

Los comentarios en directo en cinco idiomas (incluyendo el español), realizados desde el Centro de Control del CERN, guiarán a los espectadores a través de las distintas etapas de operación del acelerador, desde que los haces son inyectados en el LHC hasta que estos colisionan en los cuatros puntos de interacción donde se encuentran los detectores. 

Los cuatro grandes experimentos del LHC han llevado a cabo importantes actualizaciones de sus sistemas de lectura y selección de datos, con nuevos mecanismos de detección e infraestructura informática.

Los detectores ATLAS y CMS esperan registrar más colisiones durante el Run 3 que en los dos ciclos de física anteriores juntos. El experimento LHCb se ha renovado por completo y espera multiplicar por 10 su tasa de recogida de datos, mientras que ALICE aspira a multiplicar por 50 el número de colisiones registradas.

Las mejoras implementadas en los detectores de cada experimento permitirán recoger muestras de datos significativamente más grandes y de mayor calidad respecto a periodos de funcionamiento anteriores.

Con el aumento de la muestra de datos y con el uso de energías de colisión más altas, el Run 3 pretende ampliar aún más el ya diverso programa de física del LHC: las colaboraciones científicas en los experimentos investigarán la naturaleza del bosón de Higgs con una precisión sin precedentes, podrán observar procesos antes inaccesibles y tendrán la capacidad de mejorar la precisión de las medidas tomadas en numerosos procesos conocidos que abordan cuestiones fundamentales, como el origen de la asimetría materia-antimateria en el universo.

Candidatos a materia oscura

Además, se espera que los investigadores puedan estudiar las propiedades de la materia en condiciones extremas de temperatura y densidad. Los científicos también buscarán candidatos a la materia oscura y otros fenómenos nuevos, ya sea mediante búsquedas directas o indirectas, en este último caso midiendo con mayor precisión las propiedades de las partículas ya conocidas.

“Esperamos con entusiasmo nuevos datos referentes a la desintegración del bosón de Higgs en partículas de segunda generación, como los muones. Esto sería un resultado totalmente nuevo en la saga del bosón de Higgs, confirmando por primera vez que también las partículas de segunda generación obtienen masa a través del mecanismo de Higgs”, dice el teórico del CERN Michelangelo Mangano.

“Mediremos la fuerza de las interacciones del bosón de Higgs con la materia y las partículas portadoras de fuerza con una precisión sin precedentes y profundizaremos en la búsqueda de desintegraciones del bosón de Higgs en partículas de materia oscura “, dice Andreas Hoecker, portavoz de ATLAS.

Un tema que se seguirá de cerca es el estudio de procesos raros en los que se observó una asimetría en el sabor de los leptones (una diferencia inesperada entre los electrones y sus partículas primas, los muones) en los datos recogidos por el experimento LHCb durante los periodos previos de funcionamiento del LHC.

“Los datos adquiridos durante este tercer ciclo con nuestro nuevo detector nos permitirán mejorar la precisión en un factor dos y confirmar o excluir posibles desviaciones en la universalidad del sabor de los leptones”, dice Chris Parkes, portavoz del LHCb. Muchas de las teorías que explican las anomalías observadas por LHCb predicen también nuevos fenómenos en diferentes procesos físicos ya conocidos. Estos serán objeto de estudio en ATLAS y CMS también. “Este enfoque complementario es esencial: si somos capaces de confirmar nuevos fenómenos de este modo, pueden ser descubrimientos importantes en la física de partículas” dice Luca Malgeri, portavoz de la colaboración CMS.

El programa de ALICE, que se centra en el estudio de las colisiones de iones pesados, permitirá investigar, con una precisión jamás alcanzada, el plasma de quarks y gluones (QGP), un estado de la materia que existió en los primeros 10 microsegundos después del Big Bang.

“Esperamos pasar de una fase en la que observamos muchas propiedades interesantes del plasma de quarks y gluones a una fase en la que cuantificamos con precisión estas propiedades y las relacionamos con la dinámica de sus constituyentes”, afirma Luciano Musa, portavoz del experimento ALICE. 

Además de los estudios utilizando plomo, se incluirá por primera vez un periodo corto con colisiones de oxígeno, con el objetivo de explorar la aparición de efectos similares al QGP en otros sistemas de colisión.

Los experimentos más pequeños del LHC, estos son TOTEM, LHCf, MoEDAL con su nuevo subdetector MAPP, y los recientemente instalados FASER y SND@LHC, también están preparados para explorar fenómenos dentro y fuera del Modelo Estándar, desde los monopolos magnéticos, hasta los neutrinos y los rayos cósmicos.

Comunidad investigadora española

Más de una veintena de grupos de investigación españoles participan en proyectos científicos internacionales que trabajan con los datos recogidos durante las colisiones que suceden en el interior del LHC.

El amplio y prometedor programa científico previsto para esta nueva temporada de física en el LHC mantiene a la comunidad española expectante y entusiasmada.

“Llevamos tiempo preparándonos para este nuevo e ilusionante desafío. El Run 3 proporcionará una mayor sensibilidad a fenómenos todavía no explorados, nos permitirá investigar con más detalle el aún poco conocido campo de Higgs y esperamos que clarifique las anomalías observadas en algunas desintegraciones raras de quarks pesados”, explica Antonio Pich, director del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), que concluye: “Comenzamos otro apasionante periodo de experimentación que nos puede deparar grandes sorpresas”.