Estructura detallada de los precolisionadores, colisionadores y aceleradores del LHC 18d6a

El Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ; en inglés : Large Hadron Collider ) es el acelerador de partículas más grande y de mayor energía que existe y la máquina más grande construida por el ser humano en el mundo.

Fue construido por la Organización Europea para la Investigación Nuclear ( CERN ) entre 1989 y 2001 en colaboración con más de 10 000 científicos y cientos de universidades y laboratorios, así como más de 100 países de todo el Mundo. [

Se encuentra en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia y una profundidad máxima de 175 metros bajo tierra, debajo de la frontera entre Francia y Suiza , cerca de Ginebra .

Las primeras colisiones se lograron en 2010 a una energía de 3,5 tera electronvoltios (TeV) por haz, aproximadamente cuatro veces el récord mundial anterior, alcanzados en el Tevatron.

Después de las actualizaciones correspondientes, alcanzó 6,5 TeV por haz (13 TeV de energía de colisión total, el récord mundial actual).

A finales de 2018, entró en un período de parada de dos años, que finalmente se ha prolongado hasta 2022, con el fin de realizar nuevas actualizaciones, con lo cual se espera posteriormente alcanzar energías de colisión aún mayores.

El colisionador tiene cuatro puntos de cruce, alrededor de los cuales se colocan siete detectores, cada uno diseñado para ciertos tipos de experimentos en investigación.

El LHC hace colisionar protones , pero también puede utilizar haces de iones pesados (por ejemplo de plomo ) realizándose colisiones de átomos de plomo normalmente durante un mes al año.

El objetivo de los detectores del LHC es permitir a los físicos probar las predicciones de las diferentes teorías de la física de partículas , incluida la medición de las propiedades del bosón de Higgs. y la búsqueda de una larga serie de nuevas partículas predicha por las teorías de la supersimetría así como también otros problemas no resueltos en la larga lista de elementos en la física de partículas .

Túnel del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) con todos los imanes e instrumentos.

La parte del túnel que se muestra se encuentra debajo del LHC P8, cerca del LHCb.

El término " hadrón " se refiere a aquellas partículas subatómicas compuestas de quarks unidos por la fuerza nuclear fuerte (así como los átomos y las moléculas se mantienen unidos por la fuerza electromagnética ).

Los hadrones más conocidos son los bariones , como pueden ser los protones y losneutrones .

Los hadrones también incluyen mesones como el pion o el kaón , que fueron descubiertos durante los experimentos de rayos cósmicos a fines de la década de 1940 y principios de la de 1950.

Un "colisionador" es un tipo de acelerador de partículas con dos haces enfrentados de partículas que chocan entre sí.

En la física de partículas , los colisionadores se utilizan como herramientas de investigación: aceleran las partículas a energías cinéticas muy altas que les permiten impactar con otras partículas.

El análisis de los subproductos de estas colisiones, captados por los sensores, brinda a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico y de las leyes de la naturaleza que los gobernantes.

. Muchos de estos subproductos se producen sólo mediante colisiones de alta energía y se descomponen después de períodos de tiempo muy breves. Por lo tanto, muchos de ellos son difíciles o casi imposibles de detectar de otra manera.

Muchos físicos esperan que el Gran Colisionador de Hadrones ayude a responder algunas de las preguntas fundamentales de la física que se refieren a las leyes básicas que rigen las interacciones y fuerzas entre las partículas elementales, la estructura profunda del espacio y el tiempo y, en particular, la interrelación entre la mecánica cuántica y la relatividad general , que a día de hoy son dos teorías ampliamente comprobadas, pero desafortunadamente aún incompatibles entre sí en muchos aspectos experimentales.

También se necesitan datos de experimentos de partículas de alta energía para sugerir qué versiones de los modelos científicos actuales tienen más probabilidades de ser correctas, en particular para elegir entre el modelo estándar y el modelo de Higgsless, validando sus predicciones y permitir un mayor desarrollo teórico.

Los temas investigados gracias a las colisiones del LHC incluyen, entre otras preguntas fundamentales:

· ¿Se está generando la masa de partículas elementales por el mecanismo de Higgs a través de la ruptura espontánea de simetría?

· Se esperaba que los experimentos del colisionador demostraran o descartaran la existencia del escurridizo bosón de Higgs, lo que permitiría a los físicos considerar cuál de los modelos (el Modelo estándar o sus alternativas de Higgsless) es el más correcto.

· ¿Es la supersimetría una extensión del Modelo Estándar y la simetría de Poincaré de la naturaleza lo que implica que todas las partículas conocidas tengan elementos super compañeros?

· Existen dimensiones adicionales aún no conocidas, como predicen varios modelos basados en la teoría de cuerdas y seremos capaces de detectarlos.

· ¿Cuál es la naturaleza de la materia oscura que parece representar al menos el 95% de la masa total del universo ?

Otras preguntas abiertas sobre las que podemos interrogarnos utilizando colisiones de partículas de altas energías son las siguientes:

· Ya se sabe que el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil son manifestaciones diferentes de una sola fuerza llamada fuerza de electrodopresión .

· El LHC puede aclarar si la fuerza electro débil y la fuerza nuclear fuerte son igualmente manifestaciones diferentes de una fuerza unificada universal, como lo predicen varias teorías de la gran unificación .

· ¿Por qué la cuarta fuerza fundamental, la gravedad , tiene tantas órdenes de magnitud más débiles que las otras tres fuerzas fundamentales ?.

· ¿Existen otros tipos de mezcla de sabores de quark más allá de los que ya están presentes en el Modelo estándar ?

· ¿Por qué hay violaciones aparentes de la simetría entre la materia y la antimateria ? }

· ¿Cuál es la naturaleza y las propiedades del plasma de gluones y quarks que se cree que existió en el universo primitivo y en ciertos objetos astronómicos compactos y extraños en la actualidad?

· Esto será investigado por colisiones de iones pesados, como el plomo, principalmente en los módulos ALICE , pero también en CMS , ATLAS y LHCb del CERN. Observados por primera vez en 2010, los hallazgos publicados en 2012 confirmaron el fenómeno conocido como enfriamiento por chorro de los iones pesados.

· El colisionador está situado en un túnel circular, con una circunferencia de 26,7 km, a una profundidad que varía de 50 a 175 m bajo tierra.

El túnel, forrado de hormigón, de 3,8 m de ancho, construido entre 1983 y 1988, ya se utilizó anteriormente para albergar el gran colisionador de electrones y positrones . ]

El túnel cruza la frontera entre Suiza y Francia en cuatro puntos, estando situado en su mayor parte en Francia.

Los edificios de la superficie tienen diferentes equipos auxiliares como compresores, equipos de ventilación, electrónica de control y plantas de refrigeración, aparte de los módulos construidos para albergar alojamientos, cocina, salones, salas de descanso, computación, etc.

Los superimanes cuadrospolos superconductores se utilizan para dirigir los haces a cuatro puntos de intersección, donde tienen lugar las colisiones e interacciones entre los protones acelerados.

El túnel colisionador contiene dos líneas de haces paralelos adyacentes (o tubos de haces), cada uno de los cuales permite el paso de un haz, que viaja en direcciones opuestas alrededor del anillo.

Los haces se cruzan en cuatro puntos alrededor del anillo, que es donde tienen lugar las colisiones de partículas. Unos 1 232 imanes dipolos mantienen las haces en su trayectoria circular mientras que se utilizan 392 imanes cuadri polos adicionales para mantener los haces enfocados, con otros imanes cuadri polos más potentes cerca de los puntos de intersección, para maximizar las posibilidades de interacción donde se cruzan las dos líneas opuestas.

Imanes multipolares superiores se utilizan para corregir las imperfecciones más pequeñas en la geometría del campo electromagnético .

En total, se han instalado unos 10 000 imanes superconductores, con imanes dipolos, con un peso total de más de 27 toneladas cada uno. [ 31 ]

Se necesitan aproximadamente 96 toneladas de Helio-4 super fluído para mantener los imanes, fabricados de niobio - titanio revestido de cobre , a una temperatura de funcionamiento de tan sólo 1,9 K (−271,25 °C), lo que convierte al LHC en la instalación criogénica más grande del mundo.

. Para ello, el LHC utiliza en total 470 toneladas del superconductor Nb-Ti.

El hecho de refrigerar la instalación del LHC a temperaturas cercanas al cero absoluto tiene como objeto provocar la mínima excitación molecular posible, mejorando así la conducción de los protones y disminuyendo al máximo posible interferencias.

Se emplea helio como fluido por ser un gas neutro, fácil de obtener y sin capacidad de conductividad eléctrica. [ 32 ]

Durante las operaciones del LHC, el CERN consume aproximadamente 200 MW de energía eléctrica de la red eléctrica sa, que, en comparación, es aproximadamente un tercio del consumo total de toda la energía de la ciudad de Ginebra .

El acelerador LHC y los detectores consumen aproximadamente 120 MW de los mismos. [ 33 ]

Cuando funciona en el registro de energía actual de 6,5 TeV por protón lanzado al haz, [ 34 ] una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 6,5 TeV, el campo de los imanes dipolares superconductores aumenta de 0,54 a 7,7 teslas (T)

. Cada protón tiene una energía de 6,5 TeV, lo que proporciona en el choque una energía de colisión total de 13 TeV.

En esta energía los protones tienen un factor de Lorentz de alrededor de 6 930 y se mueven a aproximadamente 0,999999990 c , o sea: alrededor de 3,1 m/s (11 km/h ) más lento que el límite máximo de la velocidad de la luz en el vacío ( c ).

En total, tarda menos de 90 microsegundos (μs) para que un protón viaje 26,7 km alrededor del anillo principal. Esto da como resultado 11 245 revoluciones por segundo para los protones dentro del túnel circular, ya sea que las partículas tengan una energía baja o alta en el anillo principal o que la diferencia de velocidad entre estas energías esté más allá del quinto decimal.

En lugar de tener que producir haces continuos, los protones se agrupan formando hasta 2 808 racimos, con 115 mil millones de protones en cada grupo, de modo que las interacciones entre los dos haces tienen lugar a intervalos discretos, principalmente a una distancia luz de 25 nanosegundos (ns), proporcionando una tasa de colisión de 40 MHz.

. Fue puesto en funcionamiento con menos racimos de protones durante los primeros años.

La luminosidad de diseño del LHC es de 10 34 cm −2 s −1 , la cual fue alcanzada por primera vez en junio de 2016. [ 37 ] En 2017 se logró el doble de este valor.

Los protones necesarios para el LHC se originan desde este pequeño tanque rojo de hidrógeno .

Antes de ser inyectadas en el acelerador principal, las partículas son preparadas por una serie de sistemas que aumentan sucesivamente su energía.

El primer sistema es el acelerador lineal de partículas LINAC 2 que genera protones con energías cinéticas de 50 MeV, el cual alimenta al Impulsor del Sincrotrón de Protones (PSB).

Líneas de inyección y transferencia del Proton Synchrotron Booster

En este último, los protones se aceleran a 1,4 GeV y se inyectan en el Sincrotrón de Protones (PS), donde se aceleran a 26 GeV

. Finalmente, el Supersincrotrón de Protones (SPS) se usa para aumentar su energía aún más hasta 450 GeV antes de que finalmente se inyecten (durante un período de varios minutos) en el anillo principal.

Aquí los racimos de protones se acumulan y aceleran (durante un período de 20 minutos) a su pico máximo de energía y, finalmente, circulan durante 5 a 24 horas seguidas mientras se producen colisiones en los cuatro puntos de intersección. [ 39 ]

El programa fundamental del LHC se basa principalmente en colisiones protón-protón. Sin embargo, se incluyen en el programa períodos de funcionamiento más cortos, generalmente un mes por año, con colisiones de iones pesados.

Si bien los iones más ligeros también son considerados, el esquema de línea de base se ocupa principalmente de los iones de plomo ]

Los iones de plomo son acelerados primero por el acelerador lineal LINAC 3, y el anillo de iones de baja energía (LEIR) se usa como una unidad de almacenamiento y enfriador de iones. Luego, los PS y SPS aceleran aún más los iones antes de inyectarlos en el anillo LHC, donde alcanzan una energía de 2,3 TeV por nucleón (o 522 TeV por ion), superior a las energías alcanzadas por el colisionador de iones pesados relativista .

El objetivo del programa de iones pesados es investigar el Plasma de quarks-gluones que existía en el universo temprano .

Se han construido siete detectores en el LHC ubicados bajo tierra en grandes cavernas excavadas en los puntos de intersección del LHC.

Dos de ellos, el experimento ATLAS y el solenoide de muón compacto (CMS), son grandes detectores de partículas de uso general.

. Los experimentos de ALICE y LHCb tienen roles más específicos y los últimos tres, TOTEM , MoEDAL y LHCf , son mucho más pequeños y son para investigaciones muy especializadas.

Los experimentos con ATLAS y el CMS descubrieron el bosón de Higgs, que es una fuerte evidencia de que el Modelo Estándar tiene el mecanismo correcto para dar masa a las partículas elementales. [

a un amigo Ingeniero EDGAR MOLINA le agradezco el interés, que me incitó a buscar esta información ya tuve la satisfacción de encontrarla la analizo y publico para todos mis lectores amantes de Física Cuántica

NO SE DEBE SER DÉBIL, SI SE QUIERE SER LIBRE