Celso Martnez RiveroAna Ursa LenGRAN COLISIONADOR DE HADRONES(LHC)NDICE INTRODUCCIN CERN Breve Historia del CERN Nacimiento de la Web Futuro del CERN Espaa y el CERN LHC Introduccin Parmetros del LHC Aceleradores de Partculas Diseo del LHC LHC en marcha Fuente de protones Colisiones GRID Coste del LHC Ms all del LHC FSICA ENEL LHC Cinemtica Fuerzas Momento Lineal Energa Alto Vaco Bajas Temperaturas Magnetismo Electricidad Superconductividad Luminosidad Seccin eficaz Relatividad Radiacin sincrotn Radiacin ionizante Agujeros negros DETECTORES Introduccin ATLAS CMS LHCb ALICE TOTEM LHCf MoEDAL MODELO ESTNDAR Antimateria Interacciones Diagramas de Feynman Partcula de Higgs ViolacinCP Ms all del LHC GLOSARIO OTROS LHC PARAMETROS DATOS ASOMBROSOS INTRODUCCIN Large Hadron Collider (Gran Colisionador de Hadrones) es el ms importante acelerador de partculas del mundo, acelerando su dos haces de protones a una energa de 3.5 TeV por protn. Esta es la ms alta energa alcanzada en un acelerador de partculas, que ser mantenida hasta finales de 2011. El LHC -situado en las afueras de la ciudad de Ginebra sobre la frontera FrancoSuiza- produce la mayor cantidad de informacin nunca antes generada en otro experimento. Revelar los ms fundamentales secretos de la naturaleza.CERN The European Organization for Nuclear Research (originalmente: Conseil Europen pour la Recherche Nuclaire), comnmente conocido como CERN, es el ms grande laboratorio de Fsica de Partculas del mundo, y est situado en Ginebra en la frontera entre Francia y Suiza. El acuerdo que estableci el nacimiento del CERN fue firmado el 29 Septiembre de 1954. De los iniciales 12 firmantes de este acuerdo, el nmero ha crecido hasta los actuales 20 estados miembros. Su principal funcin es proporcionar su complejo de aceleradores y otras infraestructuras para la investigacin en la Fsica de Altas Energas. Numerosos experimentos han sido llevados a cabo en el CERN a travs de colaboraciones internacionales. En el CERN trabajan diariamente unas 2600 personas. Adems, alrededor de unos 8000 cientficos y ingenieros (pertenecientes a unas 500 instituciones y 80 nacionalidades), trabajan en experimentos operados en el CERN.Breve historia del CERN Los orgenes del CERN se remontan a 1949, cuando el fsico francs Louis de Broglie propuso establecer un nuevo laboratorio europeo para detener el xodo de fsicos desde Europa a EEUU. Un ao despus, en la conferencia de la UNESCO en Florencia, el fsico estadounidense Isidor Rabi propondra una resolucin que invitase a la UNESCO "a asistir y a animar hacia la formacin y la organizacin de centros y laboratorios regionales para aumentar y hacer ms fructfera la colaboracin internacional de cientficos". La resolucin fue unnimementeadoptada y, despus de otras dos conferencias de la UNESCO, 11 paises europeos acordaron la creacin de un provisional Conseil Europene pour la Recherche Nuclaire(CERN). El nuevo consejo se reuni en Amsterdamy se seleccion un lugar cerca de Ginebra. Aunque que ya en 1953 comenzaron los experimentos en el primer acelerador construido, no fue formalmente hasta el 29 de septiembre de 1954 que el CERN fue constituido a partir de la ratificacin de los primeros 12 estados miembros. Esos 12 estados miembros fueron Blgica, Dinamarca, Francia, Alemania, Grecia, Italia, Holanda, Noruega, Suecia, Suiza, Reino Unido y Yugoslavia. Desde entonces, Yugoslavia desapareci y Austria, Espaa, Portugal, Finlandia, Polonia, Hungra, Eslovaquia, Repblica Checa y Bulgaria entraron en el CERN, elevando el nmero de pases hasta los 20 actuales. Espaa abandon el CERN en 1969e ingres de nuevo en 1983. India, Israel, Japn, Federacin Rusa, Turqua y EEUU tienen el estatus de observador, as como la UE y la UNESCO. Se estima que la mitad de los 13000 fsicos de partculas del mundo estn involucrados en experimentos del CERN. Alrededor de 4500 son de los 20 estados miembros, y otros proceden de Rusia (744), EEUU (586) y Japn (103). La localizacin principal est en Meyrin (a 6 km de Ginebra), sobre la frontera franco-suiza, y hay un segundo lugar en Prevessin (Francia). La mayor parte de los 27 km del Large Hadron Collider (LHC) est en Francia: la sala de control est en Prevessin y todos los detectores excepto ATLAS, estn bajo suelo francs. Nacimiento de la Web En 1989, Tim Berners-Lee, un joven cientfico que trabajaba en el CERN, cre el HYPERTEXT para permitir una mejor comunicacin entre los cientficos que estaban trabajando en diferentes proyectos. Con ayuda de Robert Caillou y un pequeo equipo se cre el HTML, http, URLs, el primeiro Servidor, el primer navegador y el primer editor html. Cuando el CERN decidi permitir la libre distribucin de la Web su progreso fue imparable. En un mundo gobernado por los intereses econmicos llama la atencin la absoluta transparencia con la que trabaja esta institucin y su generosa decisin en relacin a la WWW. De aquel nico servidor a comienzos de los 90 se ha pasado a los ms de 45 millones de hoy en da. Ahora, es el momento de una nueva red: GRID Un encuesta "online" dirigida por CNN news group sita the World Wide Web como la primera de las siete maravillas modernas del mundo. La World Wide Web gan con un 50 % de los votos (3665 votos). El segundo fue el CERN otra vez, con el 16 % de los votantes (1130 votos) premiando as al acelerador LHC. Futuro del CERN EL futuro del CERN es el LHC: Investigaciones en el campo de la Fsica: 2010 2022. Mejora de la Luminosidad. Desarrollo de nuevos grandes campos magnticos. Superconducting Proton Linac (SPL): Mejora del Complejo de Aceleradores del CERN. Segunda Generacin del Ion Beam Facility La Fsica de los Neutrinos. Otros retos: LHC Computing Grid (LCG) Test de viabilidad del proyecto CLIC, para llegar al 2010 con conclusiones definitivas para su posible uso como acelerador lineal electrn-positrn en el orden del TeV. CERN y la Astrofsica de Partculas.Espaa y CERNInstituto de Fsica de Cantabria IFCA - CANTABRIAInstitut de Fsica d'Altes EnergiesUAB BARCELONAInstituto de Fsica CorpuscularUV - VALENCIACIEMAT - Fsica Experimental de Altas EnergasMADRIDInstituto Galego de Fsica de Altas EnerxasIGFAE - SANTIAGODepto d'Estructura i Constituents de la MatriaUB - BARCELONAEn Espaa hay numerosos centros de investigacin que trabajan para el CERNy LHC.INTRODUCCIN LHC LHC Parmetros del LHC Acelerador de partculas Unidades Diseo del LHC LHC en marcha Fuente de protones LHC Colisiones LHC Grid LHC Coste Ms all del LHCLHC LHC es el ms potente de los aceleradores de partculas del mundo y est ubicado en el CERN sobre la frontera franco-suiza. Utiliza parte de la estructura del ya clausurado acelerador LEP, con una circunferencia de 27 km y situado a 100 m bajo tierra. L A R G E (Gran): El tamao de un acelerador est relacionado con la mxima energa obtenible. En el caso de un colisionador circular, esa energa es funcin del radio de la mquina y de la intensidad del campo magntico dipolar que "dirige" las partculas en sus rbitas. El LHC utiliza algunos de los ms potentes dipolos magnticos y cavidades de radiofrecuencia que existen.Parmetros del LHC Partculas: Protones (protn-protn colisin) y iones pesados (Pb 82+) Circunferencia: 26659 m. Inyector: SPS Energa del haz inyectado: 450 GeV (protones) Energa Nominal del haze: 7 TeV (protones) Campo Magntico a 7 TeV: 8.33 Tesla Temperatura de Operacin: 1.9 K Nmero de imanes: ~9300 Nmero de dipolos principales: 1232 Nmero de cuadrupolos: ~858 Nmero de imanes correctores: ~6208 Nmero de RF cavidades: 8 por haz; intensidad del campo 5 MV/m RF frequencia: 400 MHz Frecuencia de Revolucin: 11.2455 kHz. Consumo de Energa: ~180 MW Gradiente del tnel: 1.4% Diferencia entre el punto ms alto y el ms bajo del tnel: 122 m. Aceleradores de partculasLos aceleradores funcionan con partculas cargadas que son aceleradas hasta velocidades prximas a la de la luz. Mediante las colisiones de estas partculas de muy alta energa entre ellas, o contra un blanco fijo, los cientficos son capaces de extraer informacin de los ms pequeos componentes de la materia. En esos choques, nuevas partculas son creadas, lo que proporciona valiosos datos para la Fsica de Partculas.ACELERADORES LINEALESUn acelerador lineal de partculas (tambin llamado linac) es un dispositivo elctrico que mediante un diseo lineal acelera partculas subatmicas. Las caractersticas dependern del tipo de partculas que van a ser aceleradas: electrones, protones o iones. Los tamaos van desde el tubo de rayos catdicos, a los 3,4 km del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en California.Quizs, el acelerador que tome el relevo al LHC en el futuro sea un acelerador lineal de electrones (ILC).Un tubo de rayos catdicos (TRC) de un televisor tradicional es una forma simple de acelerador. La mayora del espacio del televisor est ocupado por un tubo de rayos catdicos en el que se sita un can de electrones que dispara constantemente un haz de electrones contra la pantalla, que est recubierta de fsforo (material que se ilumina al entrar en contacto con los electrones). En los monitores en color, cada punto o pxel de la pantalla est compuesto por tres pequeos puntos de fsforo: rojo (magenta), cian (azul) y verde. Iluminando estos puntos con diferentes intensidades, puede obtenerse cualquier color.ACELERADORES CIRCULARESEn un acelerador circular, las partculas se mueven en una trayectoria casi circular hasta alcanzar la energa necesaria. Esa trayectoria se consigue usando potentes campos magnticos. La ventaja sobre los lineales es que de esa forma podemos mantener una continua aceleracin, dado que las partculas pueden circular todo el tiempo que se necesite. Otra ventaja es que son relativamente ms pequeos que los aceleradores lineales de potencia semejante.Dependiendo de la energa y del tipo de partculas aceleradas, los aceleradores circulares diseados para la Fsica de Partculas tienen la desventaja de emitir radiacinsincrotn. Esto provoca una continua prdida de energa y los problemas asociados a la presencia de este tipo de radiacin.UnidadesEl Electrn-voltio, unidad de energa con smbolo eV, es utilizada para pequeas energas.1 electron-Voltio1 eV se define como la cantidad de energa equivalente a la que gana un electrn libre (o un protn) cuando es acelerado mediante una diferencia de potencial de un voltio en el vaco.As, una pila de 1,5 V proporcionara a cada electrn (o protn) una energa de 1,5 eV. O un TRC de un televisor proporciona a los electrones una energa de ~ 20 keV.1 eV = 1.60210-19 Joule1 MeV = 106eV1 GeV = 109eV1 TeV = 1012eVEnergas en el CERNLinac 50 MeVPSB 1.4 GeVPS 25 GeVSPS450 GeVLHC 7 TeVPor tanto, en el LHC cada protn alcanza una energa final mxima de 7 TeV .Haran falta 350 millones de TV "conectados en serie" para conseguir esa energa.Con un tamao medio de unos 12 cm en el tramo acelerador de un TRC, tendramos una longitud de:0,12 x 350106 ~ 40106 m (40000 km !).Por tanto, este "acelerador circular" dara la vuelta a la Tierra sobre la lnea del ecuador.As que el complejo de aceleradores del CERN finalmente no es tan grande, no? Diseo del LHC En el LHC los protones colisionan en choques frontales para alcanzar energas nunca antes obtenidas a esa escala. El colisionador est situado en un tnel de casi 27 km de permetro circular (r = 4243 m) y a unos 100 metros bajo tierra. El tnel comienza cerca del CERN (Meyrin), continua casi acercndose al macizo del Jura, sigue bajo la campia francesa, pasa al lado del aeropuerto de Ginebra para volver al CERN (Meyrin). El LHC no es un crculo perfecto. Est formado por ocho arcos y ocho inserciones. Consiste en ocho arcos de 2.45 km de longitud, y ocho secciones rectas de 545 m de largo. Los arcos contienen los dipolos magnticos, 154 en cada arco. Una insercin es una seccin recta ms dos (una en cada lado) regiones de transicin las llamadas dispersion suppressors. El exacto diseo de cada seccin recta depende del uso especfico de la insercin: Fsica (colisiones en un experimento), inyeccin, descarga de los haces o limpieza de los mismos. Un sector es definido como la parte de la mquina entre dos puntos de insercin. Los ocho sectores son las unidades de trabajo del LHC: la instalacin de los imanes se realiza sector por sector, todo el trabajo con las diferentes partes tambin se hace sector por sector y todos los dipolos magnticos de un sector estn conectados en serie y constituyen el mismo sistema criosttico. Cada sector es desde el punto de vista energtico independiente. Un octante comienza en el medio de un arco y finaliza en el medio del siguiente y "contiene" una insercin total. Por tanto, cada octante define una zona diferente segn se est guiando a los haces de partculas hacia su inyeccin, una colisin, su descarga o su limpieza. El LHC proporciona colisiones protnprotn con una energa en el centro de masas de 14 TeV , y un muy alto nmero de colisiones por segundo y por cm2(Luminosidad).Con el fin de obtener estos valores, el colisionador opera con 2808 paquetes de protones (bunches) en cada haz y una alta intensidad (1.15 1011protones por bunch); esto requiere ms de 9000 imanes superconductores de diferentes tipos. Dipolos superconductores Elreto ms notable en el LHC son los 1232 dipolos superconductores, que operan de forma continua produciendo un campo constante de 8.33 T (100000 veces el campo magntico de la Tierra), con la posibilidad de acadar un valor mximo de 9 T. Cuatro detectores han sido construidos en sendas enormes cavernas. Ellosrecogen los datos producidos como resultado de las colisiones. Los detectores (tambin llamados experimentos) son: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (the Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion ColliderExperiment) y LHCb (study of physics in B-meson decays at LHC). Adems, hay otros dos experimentos: TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC) y LHCf (Large Hadron Collider forward).Detectores El sistema superconductor opera en helio superfluido a 1.9 K. Haces de ncleos de Pb-208 sern tambin acelerados, colisionando con una enerxa de 1150 TeV. Cada in de Pb-208 llega a la colisin con 1150/2 = 575 TeV. Por tanto, la energa por nuclen es: 575/208 = 2,76 TeV En las colisiones existirn las condiciones necesarias para que aparezcan nuevas (y quizs inesperadas) partculas elementales.La alta luminosidad del LHC implica condiciones de almacenamiento, aceleracin y haces de partculasnunca antes alcanzadas. La densidad de energa del haz de partculas es 1000 veces ms alta que lalograda en cualquier otro colisionador de protones. Una muy pequea fraccin del haz almacenado essuficiente para provocar "quenching en uno de los dipolos superconductores del LHC, o inclusodestruir partes del acelerador. Tngase presente que una fraccin de 10-5 del haz nominal del LHCpuede daar una superficie de cobre. La energa del haz de protones del LHC es suficiente para fundircasi 1 tonelada de cobre! El sistema de descarga de los haces de partculas (beamdumping) del LHC est designado para realizar una rpida extraccin de los haces de partculas desde el acelerador con mnimas prdidas. Las partculas son entonces llevadas a unos bloques que estn ubicados en sendas cavernas al final de una lnea de vaca de unos 700 m. Cuando es momento de extraer los haces (tambin en caso de urgencia), stos son desviados fuera del anillo por un sistema magntico que los enva a los bloques de descarga. Un sistema en la lnea de vaco de "dispersin energtica" horizontal provoca que el haz tome una forma de "e" a la entrada del bloque de descarga para rebajar el impacto energtico sobre el bloque.Este es el nico elemento en el LHC que puede resistir el impacto del haz completo.El bloque est hecho de grafito y tiene forma cilndrica con 8 m de longitud y 1 m de dimetro, en el que se dispersa la cascada hadrnica generada en su largo volumen.DUMPINGCLEANINGUn poderoso sistema colimador protege al acelerador contra las inevitables yregulares prdidas de protones. Dos secciones rectas, IR3 e IR7, estndedicadas al "beamcleaning".Estas dos secciones son de las ms radiactivas reas del LHC, y estn equipadascon unos 50 imanes colimadores funcionando con corriente convencional yoperando en un rango de 0.09 T a 1.53 T.Las trayectorias de los dos haces son separadas horizontalmente de 194 mm a224 mmen la zona de insercin del sistema colimador.Quenching aparece cuando una parte de un imn pasa de condiciones de superconductividad a un estado resistivo normal.Los "quenches" se inician con energas de unos pocos mJ cuando la temperatura crtica o la corriente crtica es superada, por movimientos en los superconductures (friccin y disipacin de calor), fallos criognicos, y obviamente por prdida del haz que impacta contra el sistema criognico. Entonces, la deposicin de energa en el cableado superconductor provoca el fin de las condiciones de superconductividad con un aumento progresivo de la temperatura por efecto Joule.Para proteger los imanes superconductores:.- El "quenching" debe ser detectado: un voltage aparece sobre el bobinado (R ~ 0 a R > 0)..- La energa liberada es distribuida sobre todo el imn usando los llamados "quench heaters" (de forma que todo el imn entra en quenching)..- La corriente en el imn tiene que ser cortada en 2 GHz) que perturban el haz y optimizar la duracin de vida del haz, esdecir, ayudar a mantener ultra bajas presiones.La pantalla trmica est perforada para permitir el paso del gas liberado por la desercin estimulada (prdidasdel haz, electrones, fotones y iones) a las paredes ms fras de los imanes (1.9 K) donde queda atrapado.El vaco de aislamiento trmico El vaco de aislamiento trmico de los imanes y de las lneas de transporte del lquido criognico (helio)permite reducir las prdidas trmicas por conduccin. Este vaco complementa el uso de 9 millones demetros cuadrados de material de aislamiento multi-capas que limita la radiacin trmica, materialinstalado sobre la superficie exterior de la masa fra del imn superconductor. Aunque las exigencias de presin son ms bajas (10-1Pa 10-3mbar), ese sistema es tcnicamentecomplejo e impresionante: 50 km y hasta 1 m de dimetro para un volumen total de 15000 m3. El ensamblaje ha necesitado ms de250000 soldaduras, 90000 hechas directamente en el tnel, que representan una longitud de 100 km yque se aaden a las 18000 juntas de elastmero que representan una longitud total de 22 km. Con tantosensamblajes, soldaduras y juntas, la estanqueidad del vaco, ha representado un desafo constante, yaque son imprescindibles niveles de estanqueidad inferiores a 10-11Pam3/s. Para formarse una idea grfica del alto grado de estanqueidad alcanzado, un neumtico de coche conuna fuga de tamao equivalente, necesitara ms de tres millones de aos para desinflarse!Bajas temperaturasLosprotonessonguiadoseneanillodel acelerador medianteunpoderosocampomagnticoproporcionadopor corrientessuperconductoras. Los cables operan alatemperatura de1,9 K (unos -271C), una temperatura ms fra que la delespacio exterior.Por esta razn, el acelerador est conectado a un sistema dedistribucin de helio lquido, que enfra los dispositivos magnticosas comootrosserviciosdeapoyo.Los filamentos superconductores estn hechos de Niobio-Titanio. Elheliodebefluir constantementeparaser mantenidoaesatemperatura,extrayndosecualquier calor aportadoal sistema.12 millones de litros de nitrgeno lquido se vaporizan durante elenfriamiento inicial de 31000 toneladas de material,y posteriormente 5000 toneladas de helio lquido sern necesariosparamantenerlopor debajode2K.EstacantidaddeHesuponelaproduccinmundial deestegas enunao.LHC-Criogenia El procesoconsisteenhacer circular nitrgenolquidodentrodel cuerpodel Dipoloafindequelatemperaturadesciendaa 80 K (-193 C). A continuacin se aade helio lquido para pasar de los 80 K a 4 K. Finalmente, disminuyendo lapresindel heliohasta15milibares, seproducelacadahastalos1,9KConel acelerador divididoen8sectoresdelimitadospor sussistemasdeacceso, el mismonmerodeunidadesconstituyenel sistemaderefrigeracindoLHC.Parael LHC, dos sistemas derefrigeracinde12kWa4.5K, utilizados enel antiguo LEP, fueron mejorados hastaunacapacidad de18 kW, y dos equipamientos no estndar de 18 kW han sido instalados. Gas helio es enfriado hasta80 Kmediante10000 toneladas denitrgeno lquido en superficie(el nitrgeno lquido no seinyectadirectamenteen el LHCpara evitar un posible accidente con muertes por asfixia en caso de fuga en el tunel). Pero esta bajada de temperaturaconstituyelaprimerafase.Paragarantizar el correctocomportamientodeloscomponentesdel acelerador, el heliodebeser enfriadoanms. As, elhelio a4,5 K seinyectaen los dipolos (quepasan tambin aser llamados "cold masses"), hastallenarlos por completo.Finalizaas lasegundafasedel procesodel enfriamiento.En la tercera y ltima fase, las unidades de refrigeracin llevan al gas noble hasta los 1,9 K (-271,3C). Paraconseguir esto, el vapor de presin sobre el bao de helio tiene que ser reducido.Para bajar hasta los 15 mbars de presin compresoresvolumtricos a temperatura ambiente son combinadoscon compresores centrfugos hidrodinmicos quefuncionan a esas bajas temperaturas (Cold CompressionSystem- CSS).Cuando el helio es enfriado a esa temperatura pasa apartir dos 2,17 K (271,0 C) a estado "superfluido", queentre otras notables propiedades tiene la de poseer unaconductividad trmica alta, lo que lo hace ideal parasistemas de refrigeracin muy grandes.Distribuyendo el fro.La potencia frigorfica es distribuida mediante una enorme lnea criognica (QRL). Para llevar el helio a esas bajas temperaturas, primero almacenado en cinco tanques de distribucin (QUI), que constituyen cinco "islas criognicas" instaladas en los accesos del tnel. La lnea criognica tiene el mismo diseo que el colisionador, por lo que en realidad dentro del tnel van en paralelo la instalacin de distribucin del helio y la del colisionador.Estamos pues hablando del sistema de refrigeracin ms grande del mundo, con 27 kmde largo.Supongamos que no fueran utilizados materiales especialmente preparados para estas tan bajastemperaturas. Podemos calcular los cambios que se produciran en la longitud del acelerador con eseenfriamiento.Tomemos de media como coeficiente lineal de dilatacin de un metal: 10-5K-1.La longitud del dipolo es 14,343 mat 300 K, por lo que cuando la temperatura baja a 1,9 K tendremos:L=L0T L=14,34310-5(1,9 300) L -0,043 m Entonces, la contraccin es de ms de 4 cm, y teniendo en cuenta que hay 1232 dipolos:LT 1232(-0,043 ) - 53 m (!)Tomando en consideracin todos los sistemas multipolares magnticos y resto de dispositivos sometidos a esasbajas temperaturas, la contraccin total en todo el LHC es cercana a los 80 m!Por otra parte , los materiales utilizados en el LHC deben poseer un muy controlado comportamiento a bajastemperaturas para evitar problemas de funcionamiento y errores de calibracin. No obstante, no es posibleevitar estas contracciones totalmente, por lo que fueron tomadas muy en cuenta por los ingenieros quedisearon toda la instalacin y el ensamblaje de la misma.Magnetismo1232 dipolos magnticos (de 14,3 m de longitud y unas 35 toneladas) colocados a lo largo del tnelproporcionarn a los protones, que viajan por el interior de sendos tubos de vaco, la fuerza centrpetanecesaria para mantenerlos en la trayectoria curva del acelerador a su paso por los ocho arcos del LHC.Un muy ingenioso diseo del campo magntico en cada dipolo genera un campo B en cada tubo con igualdireccin pero sentido contrario al campo B en tubo vecino.Esta configuracin se conoce como: 2 en 1(figura de la derecha)Como ya se ha indicado, la misin del campo magntico es curvar la trayectoria de los protones. Esto ocurregracias a que la fuerza magntica (Fuerza de Lorentz) es siempre perpendicular a la velocidad de losprotones.Ambos vectores B actuando en sentidos contrarios sobre protones que viajan en sentidos contrarios generauna fuerza con el mismo sentido sobre todos los protones. Ese sentido est siempre dirigido hacia elcentro del acelerador, siendo, como ya se ha dicho, la forza centrpeta que mantiene a todos los protones enla trayectoria correcta.De los clculos previos para la fuerza centrpeta podemos ahora obtener el valor necesario para B.Dado que Fces la Fuerza de Lorentz:Fc= qvBB = Fc/(qv)F = 410-10N , q = 1,60210-19C and v ~ c B~8.33 T(100000 veces el campo magntico terrestre)Si el LHC hubiera llevase dipolos magnticos tradicionales (no superconductores), seran necesarios 120 km de longitud para alcanzar la misma energa y el consumo elctrico sera enorme.El campo magntico dipolar se consigue gracias a un cableadosuperconductor que proporciona la intensidad de corriente necesaria.Cada cable est hecho del trenzado de 28 y 36 hilos, segn sea una capainterior (coil inner layer) o exterior (coil outer layer) alrededor de cada tubo.Adems, cada uno de esos hilos de 6 e 7 mm de dimetro (capa interior eexterior sobre el tubo) estn hechos de filamentos de Nb-Ti que vanintroducidos en una matriz de cobre. Durante la operacin, esa zona decableado est 1.9 K, para garantizar las condiciones de superconductividadnecesaria para que se alcancen los 8,33 T. Los protones circulan en trayectoriasplanas a lo largo de los 14.3 mactivos de cada dipolo.Las dos trayectorias estn separadas en la mayor parte del acelerador LHC por194 mm, que es la distancia nominal entre los dos tubos en el dipolo. En lascavidades de radiofrecuencia la distancia entre tubos es de 420 mm, ye enlos detectores ambos haces antagonistas viajan por un nico tubo.El campo magntico dipolar se crea gracias a sendas corrientessuperconductoras que circulan sobre cada lado del tubo de vacopor donde viajan los protones.El cableado est dispuesto en sendas capas dobles alrededor de cadatubo, circulando en sentidos contrarios a cada lado.Dado que el tubo tiene un dimetro de 56 mm, tomaremos, de acuerdocon las dimensiones que se indican, una distancia media desde elcableado al centro do tubo de 45 mmaproximadamente .Los campos magnticos creados por las corrientes de 11800 Amperiosque circulan por los cables pueden ser calculados a partir da ley deBiot-Savart.B = 0I/(2d)I ~11800 A yr ~ 45 mm,as que en cada cable: B ~ 0.05 TEl campo total necesario es de 8.33 T.Necesitamos:8,33/0.05 ~ 160 cables Es decir, para alcanzar los 8.33 T, necesitamos 160 cables superconductores (80 en cada lado) . Losochenta cables, como ya se indic, estn situados en sendas capas dobles alrededor de cada tubo, circulandola corriente en ellos en sentidos contrarios a cada lado del tubo.Los cables estn formados por 36 hilos de superconductores, cada un de los cuales tiene exactamente undimetro de 0.825 mm. A su vez, cada hilo est formado por 6500 filamentos superconductores deNiobio-Titanio (47% de Ti).Como cada dipolo cubre una distancia de unos 15 m podemos calcular a longitud de total superconductora enlos 1232 dipolos (2 tubos por dipolo):L = 2 x 1232 x 160 x 36 x 6500 x 15L = 1,381012mEsta cantidad supone ms de 9 veces la distancia Sol-Terra (1,51011m). Si tenemos en cuenta el resto de cable superconductor para los otros multipolos y para los sistemas magnticos de los detectores, estaremos hablando de ms de 10 veces esa distancia. Dado que el sentido de la corriente en cada capa de cables escontraria a la de la otra, l os respectivos vectores B creadosen el centro del tubo tienen el mismo sentido (sumndosepor tanto).En el otro tubo los sentidos de las corrientes son los contrariosal que se acaba de describir, y por tanto, e campo total (B1+B2)creado en el centro de ese tubo tendr el sentido contrario aldel tubo vecino.Tenemos as la configuracin 2-in-1 .Por otra parte, sabemos que entre conductores paralelosaparecen fuerzas atractivas o repulsivas segn sean lossentidos de las corrientes elctricas que circulan por ellos.Como en este caso las corrientes sobre cada tubo van en sentidocontrario, aparecern fuerzas repulsivas entre las dos capasconductoras que rodean a ese tubo.Podemos utilizar la siguiente aproximacin para calcular esafuerza repulsiva por unidad de longitud de acuerdo con lafrmula:F/L = 0I1I2/(2d)Con I ~11800 A yd = 90 mm,F/L = 310 N/mPero tenemos dos conjuntos de cableados con 80 cables en cadalado. Por tanto la fuerza por metro ser:FT= 8080310 ~ 2106 N/m Debido al diseo de las capas conductoras, esas fuerzasrepulsivas actuarn principalmente en la direccin horizontal.Se trata de una intensa fuerza que tiende a abrir el dipolo.Para contrarrestar esa fuerza, los ingenieros rodean las capasconductoras con unos collares, hechos de acero inoxidable nomagntico. Un ncleo hecho de hierro rodea los collares.El Flujo magntico a travs de la superficie que forma el "bobinado" es: = NBS = 808,33(14,30,09) 1000 WbCon, = LI L = 1000/11800 L 0.1 HEntonces, la energa almacenada en cada dipolo doble es:Ed= LI2 Ed 7 MJ Considerando 1232 dipolos: ET 9 GJ Suficiente para llevar a fusin total 45 Tm de Oro, desde 25 C.Teniendo en cuenta la longitud del dipolo, la densidad de energa en cada imn :7000/14,3 500 kJ/mAdems de curvar correctamente la trayectoria de los protones, es tambinpreciso focalizarlos. En efecto, dado que los protones se repelen entre ellos, elhaz de protones tiende a divergir y por tanto a chocar con las paredes interioresdel tubo. La consiguiente deposicin de energa podra causar la prdida de lascondiciones de superconductividad en el imn ("quench").Esta focalizacin se consigue con cuadrupolos magnticos, los cuales actansobre el haz de partculas cargadas (protones en este caso) de la misma formaque las lentes lo hacen sobre la luz (por eso se habla de "ptica magntica").Vamos a calcular ahora la Inductancia del Dipolo Magntico.Consideraremos una "bobina cilndrica" (14,3 m de larga y 90 mm de ancha -2 x 45 mm-), teniendo en cuentaaproximadamente las dimensiones reales) con 80 vueltas y un campo perpendicular de 8,33 T.As, imaginemos que las partculas positivas (protones en el LHC) vienendesde la derecha de la imagen.El primer cuadrupolo toma el control sobre la direccin horizontal delhaz contrayndolo, mientras que el segundo cuadrupolo hace lo propiocon la direccin vertical.As, los dos cuadrupolos trabajando conjuntamente mantienen a los protonesestrechamente empaquetados para que el mayor nmero de colisiones puedaocurrir.Hay un total de 858 cuadrupolos magnticos.Adems, otra serie de multipolos ayudan en la focalizacin y aseguran las correccins necesarias debidas aotras interacciones como la gravitatoria sobre los protones, la electromagnticas entre paquetes, las creadas pornubes de electrones que se asocin desde las paredes de los tubos, etc.La figura siguiente muestra el agrupamento multipolar magntico bsico (FODO-cell), de 110 m , en elLHC.Los dipolos y cuadrupolos mantienen en rbitas estables a los protones con la energa correcta, mientras que lossextupolos corrigen las trayectorias de los protones que tienen energas ligeramente diferente a la deseada. Losotros multipolos compensan las imperfecciones del campo magntico.Adems de los imanes ya citados hemos de considerarlos llamados "Inner triplets" que son los encargados demodificar la trayectoria paralela de los dos haces paraque se crucen en el punto de interaccin de cadadetector. Bajo la accin de este imn, cada "bunch" escompactado para lograr la mayor densidad posible en elpunto de colisin. As, se pasa de una seccin de 0,2mm lejos del detector a 16 micras en el momento delcruce (Interaction Points IP).- at IP (ATLAS, CMS) 16 m- in the triplets ~1.6 mm- in the arcs ~0.2 mmLa Fuerza de Lorentz juega otro muy importante papel en el LHC. Esla responsable de curvar la trayectoria de las nuevas partculas creadasdespus de la colisiones de los protones.Dependiendo de la carga elctrica, masa y energa, las partculas sernseparadas por la fuerza magntica de formas diferentes, pudiendo as seranalizadas separadamente.En la imagen vemos la simulacin de la creacin de una partcula de Higgscon la aparicin final de dos fotones que no son, obviamente, afectados porel campo magntico del detector.Cada detector tiene su propio diseo para ese campo magntico, yvamos a continuacin a echarle una mirada a dos de ellos.El detector CMS (Compact Muon Solenoid) es un instrumento de12500 toneladas (el ncleo de hierro -en rojo en la imagen- del sistemamagntico contiene ms hierro que la Torre Eiffel).El imn est formado por tres partes: la bobina superconductora, eltanque de vaco y e ncleo de hierro. La bobina produce el campoaxial mientras que el ncleo es el responsable del retorno del flujomagntico en la parte exterior del solenoide. Este retorno del flujo es elque conforma el conjunto de lneas de fuerza que llenan el detector entodo su volumen paralelamente al eje, y que curvarn las trayectorias delas partculas que se produzcan debido a las colisiones en el centro deldetector.El Solenoide consiste en 5 mdulos de 2,5 mde largo cada uno.Cada mdulo est formado por un cilindro de aluminio con cuatrocapas internas de embobinado, de 109 vueltas cada una.Por tanto : N = 54109 = 2180 voltas.La longitud total del solenoide es: L = 52,5 m = 12,5 m La intensidad de corriente es :I = 19500 A. Por tanto :B = 0NI/L B 4 T Podemos calcular la Inductancia del Solenoide del detector CMS .El solenoide tiene 2180 vueltas, el campo magntico es de 3,8 T y la superficie es: S = 32= 28,3 m2.Por tanto, el Flujo magntico a travs de la superficie es: = NBS = 21803,728,3 230 kWbCon, = LIL = 230000/19500 L 12 HEstamos hablando de una energa almacenada en el solenoide de:E = LI2 E 2,3 GJequivalente a media tonelada de TNT. El detector ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) ofrece un sistema hbrido de cuatro imanes superconductores:un solenoide central rodeado por 2 toroides extremos (End-cap) y un sistema toroidal "de barril" (BT). Lasdimensiones de este sistema magntico son 20 m de dimetro y 26 m en longitud. Con sus cerca de 2 GJ deenerga almacenada, es realmente el imn superconductor ms grande del mundo.El solenoide central, de 5.5 toneladas de peso, 2.5 mde dimetro y 5.3 m de largo, proporciona un campomagntico axial de 2 T en el centro del rea de trackingde ATLAS.Dado que este solenoide precede al calormetroelectromagntico de argon-lquido (LAr), su espesordebe ser el mnimo posible para permitir la mximarespuesta del calormetro.Contiene 9 km de cables superconductores enfriadospor helio lquido y circula por l una corriente elctricade 8000 A.Con 7 km de cables superconductores tenemosN de vueltas = 7000/(2,5)=1142 vueltas DeB = 0NI/L B = (410-711428000)/5,3 B 2 T = NBS = 11422( 1,252) 11200 WbCon, = LI L = 11200/8000 L 1,4 HLa energa almacenada por el solenoide es:E = LI2 E 44,8 MJATLAS posee tambin un enorme sistema magnticotoroidal superconductor (Barrel Toroid - BT) conunas dimensiones de 25 m largo y 22 m de dimetro.Este sistema toroidal proporciona el campomagntico para las reas de deteccin munica. Eltoroide est compuesto por 8 estructuras de 25m x 5mpor donde circulan . corrientes superconductoras de20500 A.Su masa total es de 850 t.Cada una de esas estructuras tiene una longitud de (25+25+5+5) ~ 60 m. Tomando los 100 km de cablessuperconductores podemos considerar que el nmero de vueltas equivalentes del toroide es:N equivalente-vueltas = 100000/60 N vueltas 1670 DeB = 0NI/L B = (410-7167020500)/(28,5) B 1 T = NBS = 16701( 255) 208750 WbCon, = LI L = 208750/20500 L 10,2 HLa energa almacenada es:E = LI2 E 2 GJElectricidadEl objetivo fundamental del experimento es obtener conclusiones de las colisiones de los protones a lamayor energa posible. Por tanto toda la tecnologa del LHC est dirigida en la direccin de conseguirgrandes concentraciones de protones en los dos haces contrarios para garantizar un alto nmero decolisiones. Para esto los protones generados en el duoplasmatrn y despus acelerados son agrupados enpaquetes (bunches) que cumplan dos condiciones: el mayor nmero posible y la mayor duracin deestabilidad. Recordemos que los protones se repelen por tener la misma carga y esto va inestabilizando elbunch.La mayor eficacia se consigue con 1.151011protones en cada paquete, siendo la dimensin de cada bunch en elhaz de 7,48 cm de longitud y con una seccin de 1 mm2. Cuando se cruzan en los detectores esos bunchesson comprimidos hasta una dimensin de 16 x 16 micras para aumentar las probabilidades de colisin.Vamos a calcular cual es la distancia media protn-protn.Cuando van lejos de las zonas de colisin, el volumen esfrico disponible para cada protn es aproximadamente:El radio de cada una de esas esferas es: r ~ 810-5cmy por tanto la distancia media protn-protn es: d = 2r d ~ 210-4cm.Estamos en condiciones de calcular la fuerza de repulsin protn-protn:Cavidades RF La principal funcin de las cavidades RF del LHC es mantener los 2808 "bunches" de protonesestrechamente empaquetados para asegurar una altaluminosidad en los puntos de interaccin, y portanto maximizar el nmero de colisiones. Las cavidades tambin proporcionan energa de radiofrequencia(RF) al haz durante la aceleracin hacia el mximo de energa, reponiendo, adems, la nerga perdidapor radiacin sincrotrn.El LHC usa ocho cavidades por haz, proporcionando cada una 2 MV (un campo acelerador de 5 MV/m) a 400MHz. Las cavidades operan a 4.5 K (los dipolos do LHC usan helio superfluido a 1.8 K).Para el LHC las cavidades estn instaladas en una seccin recta del acelerador en la que la distancia entre loshaces se incrementa desde la nominal de 195 mma 420 mm.Cada protn en su paso por las cavidades RF es afectado por:2 x 8 MV = 16 MVEntonces, el protn recibe una energa extra de: 16 MeVComo cada protn realiza 11245 vueltas por segundo la energa total recibida por segundo es:(16 MeV/vuelta) x (11245 vuelta/s)= 1.8105MeV/s o 0.18 TeV/s(1)Desde el SPS cada protn entra en el LHC con 0.45 TeV , por lo que la energa que las cavidades debenproporcionar es:7 - 0.45 = 6.55 TeVA partir de (1) podemos calcular es tiempo requerido para alcanzar la mxima energa:6.55 / 0,18 = 36,4 sEl resultado correcto es de alrededor de 20 minutos. La razn de esta diferencia es debida, en parte, a que losprotones non son afectados de forma total por el voltage en cada paso. Por eso es preciso un mayor tiempo.Adems, lo importante no es reducir ese tiempo sino que las cavidades cumplan su otro objetivo, mantener lospaquetes de protones lo ms compacto posible para conseguir el mayor nmero de colisiones en los cruces dentrode los detectores.Se define el Nmero Harmnico como la relacin entre el periodo de revolucin de la partcula y el periodo delos cambios da voltaje en la cavidad.Nmero Harmnico = Tpartcula/TRFou Nmero Harmnico = TpartculafRFTpartcula= LHClonxitude/c Tpartcula= 26,659/300000 = 8,910-5 sNmero Harmnico = (8,910-5)(400106)Nmero Harmnico 35600 PotenciaEstando a pleno funcionamiento el LHC, el CERN precisa un aporte de energa de alredor de 180 MW, de loscuales: LHC criogenia 27.5 MW LHC experimentos 22 MWSi incluimos todas las instalaciones que trabajan para el LHC tendremos una contribucin total de unos 120 MW.Durante el inverno, con el complejo de aceleradores detenido, el consumo total del CERN cae a unos 35 MW.EnergaAsumiendo 10 horas diarias de funcionamiento del LHC: 120 MWx 10 x 365 440 GWh/aoConsiderando el resto de consumo del CERN tendramos: 60 MWx 24 x 365 530 GWh/aoEn total estamos hablando de unos 1000 GWh (1 TWh) que es la prediccin do CERN para o ao 2009.El cantn de Ginebra consume 41000 TeraJoules/ao (calor, transporte, electricidad), es decir alredor de 11.4 TWh,por lo que el CERN supone menos del 10% del consumo total do cantn.El CERN non produce ninguna energa, aunque tiene generadores diesel para suministrar potencia para quefuncionen los servicios esenciales, en caso de un corte de corriente.En el anterior acelerador LEP (Large Electron Positron), el campo magnticodipolar de 0,3 T era generado por un dipolo magntico tradicional. Cada dipoloprecisaba 20 kWpor imn. Haba 500 imns en el LEP por lo que se necesitaban 10MW(cada tren AVE precisa 8 MWde potencia).La resistencia del cable era R=0.08 y la intensidad de corriente era I=500 A.Por tanto, la energa por efecto Joule disipada por segundo era:P = 500RI2= 5000.085002= 107J/s. PT= 107J/s = 2400 Kcal/sDado que el campo magntico para o LHC es 30 veces ms alto que para el LEP yla prdida de energa vara con I2, un calor unas 900 veces mayor debera serextrado desde el tnel del LHC.Imagen de LEP. Pero otro an mayor problema aparecera. En la prctica, la saturacin magntica del hierro se alcanza para un valor mximo de B igual a 2 T, por lo que este es el lmite para este tipo de dipolos.Para evitar estos problemas, los cables deben ser superconductores. Helio superfludo mantiene una temperatura de 1,9 K (la ms baja del Universo !!!). El helio debe fluirconstantemente y debe ser enfriado permanentemente, extrayndose todo el calor..Se precisan 5000 toneladas de helio en todo el LHC, lo que representa la produccin mundial de este gas.Cables RutherfordSuperconductividadLos cables estn formados por 36 hilos desuperconductores, cada un o de los cuales tiene exactamenteun dimetro de 0.825 mm. A su vez, cada hilo est formadopor 6500 filamentos superconductores de Niobio-Titanio(con 47 % de Ti). Cada filamento tiene un espesor de unos0.006 mm, es decir, 10 veces ms delgado que un cabellohumano.Alrededor de cada filamento hay una capa de 0.0005 mm decobre de alta pureza.El total de cable superconductor requerido supone 1200toneladas y 7600 km de longitud. Si consideramos los hilos yfilamentos estaramos hablando de una longitud de ms de1500 millones de km, lo que llegara par ir y volver cinco vecesal Sol y an sobrara filamento par unos cuantos viajes a laLuna.Hay un gran nmero de diferentes tipos de multipolos magnticos, por lo que no es fcil calcular lalongitud total de cable conductor que estamos indicando. Por eso vamos a considerar solamente la mayorcontribucin a esta distancia que viene dada por los dipolos principales de la instalacin del LHC.Como ya se ha indicado, cada dipolo (14,3 m) lleva dos tubos "cubiertos" por 160 cables cada uno.Por tanto,1232 dipolos x (2 tubos/dipolo) x (160 cables/tubo) x 14,3 m ~ 5640 km.Considerando el resto de multipolos superconductores y los imanes superconductores de los detectores, llegamos a la cifra antes indicada de 7600 km.Finalmente,(7600 km/cable) x (36 hilos/cable) x (6500 filamentos/hilo) ~ 1,8109 kmMs de 10 veces la distancia Tierra-Sol !!!Mejorando la superconductividadLos estudios e investigaciones llevadas a cabo en todo el mundo debido a la construccin del LHC han sidofundamentales a la hora de impulsar la tecnologa de la superconduccin a un muy alto nivel, pero tambinha demostrado claramente que la tecnologa basada en la aleacin NbTi ha alcanzado su lmite defuncionamiento (alredor de 9T). Para ir ms all (y cruzar el umbral de los 10 T manteniendo los mrgenesoperacionales de temperatura), es necesario cambiar de material superconductor.Nb3Sn es el nico material superconductor que puede serseriamente considerado en un horizonte de una decena de aos,y con la perspectiva do 2015, para reemplazar los imanes en lasregiones de interaccin. El Nb3Sn tiene el potencial para operaren un rango de 10 a 15 T, pero tiene la desvantaja de que una vezformado se vuelve quebradizo y muy sensible a la tensin.En EEUU, el Departamento de Energa ha promovido notablesesfuerzos en I+D en el campo del Nb3Sn para los prximos anos.Estas actividades estn coordinaadas por el programa llamadoUS-LHC Accelerator Research Program (LARP).En paralelo, un consorcio de 7 institutos europeos(CCLRC/RAL en el Reino Unido, CEA en Francia, CERN,CIEMAT en Espaa, INFN en Italia, Twente University enHolanda y Universidade de Tecnologa de Wroclaw en Polonia)estn trabajando en el llamadoNext EuropeanDipole (NED).Esta actividade comn de investigacin est incluida en elCoordinated Accelerator Research Projecte (CARE) financiado enparte por la Comisin Europea. (Los objetivos de NED y LARP son totalmente compatibles y complementarios. Ms que competir, suspropsitos son sinergticos, y se apoyan entre s. Ambos cuentan con todo el apoyo desde el CERN.LuminosidadLa Luminosidad (L) es uno de los ms importantes parmetros de un acelerador.Es una medida del nmero de colisiones que pueden producirse en un detector por cm2y por segundo.L puede ser obtenido semicualitativamente de:- N2: nmero de protones, porque cada partcula en un paquete (bunch) puede colisionar con cualquir otradel paquete que se aproxima en sentido contrario.- t : tiempo entre bunches.- Sef: seccin de colisin efectiva que depende de la seccin del bunch. (efectiva porque el perfil del haz no est perfectamente definido); la frmula para Sefviene dada por: Sef=42con =16 micras ou 1610-4cmA la derecha vemos o esquema de la seccin de un paquete de protones.Asumimos que es completamente opaco, y por tanto presenta unaopacidade 1.L N2/(tSef)Con, N2= (1,151011)2t = 2510-9s , Sef=4(1610-4)2cm2L 1034cm-2s-1Este valor nos dice que en los detectores do LHC se podran producir 1034colisiones por segundo y por cm2Dado que en el LHC el valor de L es 100 veces mayor que en el anterior LEP o en el Tevatron (EEUU), elCERNva a ser durante muchos aos lder en el campo experimental de la Fsica de Partculas .Despus de que el LHC haya operado durante algunos aos con los parmetros nominales, ser necesario mejorarlos para alcnzar una ms alta luminosidad. La forma ms directa de aumentar la luminosidadees focalizar los haces de protones ms estrechamente en los puntos de colisin (reducir el valor de Sefen la frmula, o ms especficamente reducir el llamado parmetro *) lo que implicar un rediseo de la "ptica mgntica" en las regiones de interaccin (IR).El tiempo a considerar estar muy relacionado con la vida operativa de los sistemas magnticos actuaiessometidos durante la operacin do LHC a muy altas dosis de radiacin. Estaramos hablando de alrededor del ao 2015.Otra reestructuracin tiene que ver con la cadena de inyeccin de los haces y que se perfila para el horizonte de 2020.Otras opciones tambin consideradas para incrementar la luminosidad del LHC, son el aumento del nmero de "bunches", o el aumento del nmero de protones por "bunch". No obstante, hay limitaciones en como eseo parmetros pueden ser variados, tales como el lmite operativo de bunches y las llamadas interacciones haz-haz de largo rango (que se producen cerca del punto de colisin entre bunchesantes del cruce), los efectos debidos a las nubes de electrones procedentes de las paredes de los tubos, implicaciones en la proteccin de los sistemas de colimacin, o un excesivo "apilamento" de sucesos en el detector.Seccin eficazLa seccin eficaz (Cross Section) - - es una medida de la probabilidad de que un suceso (event)ocurra.Se mide en barn 1 b = 10-24cm2El nmero de sucesos por segundo ( Nev) para un determinado resultado viene dado por:Nevents/sec= Luminosidad SeccinEficazNevents/sec= LPor tanto, es fcil entender la importancia de la Luminosidad en un acelerador como magnitud dedeterminante a la hora de considerar que un determinado suceso pueda ser detectado.Dado que en el LHC el valor de L es 100 veces mayor que en el anterior acelerador (LEP) o en el Tevatron(EEUU), el CERN va a ser durante muchos aos lder en el campo experimental de la Fsica de Partculas.La seccin total eficaz de cruce protn-protn a 7 TeV es aproximadamente de 110 mbarns. Esta seccin total puede ser distribuida en la siguiente forma: colisin inelstica = 60 mbarn difraccin = 12 mbarn colisin elstica = 40 mbarnLos eventos debidos a fenmenos difractivos o a colisiones elsticas no son "vistos" por los detectores, siendosolo las colisiones inelsticas las que generan partculas a ngulos suficientes respecto al eje del haz.Nmero de eventos producidos por colisiones inelsticas:Nevents/sec= L1034x [(60x10-3)x10-24]= 600 millones/sCon alrededor de 30 millones de cruces/s:600/30 20 eventos inelsticos por cruce.Veamos otro ejemplo:La seccin eficaz para un evento en el que aparecera unBosn de Higgs, de 100 GeV de masa, es 50 fb (femto-barn).As que , = (5010-15)10-24cm2 = 510-38 cm2DeNevents/sec= L Nevents/sec=(1034)(510-38)Nevents/sec= 510-4Por tanto, en el LHC hay 510-4eventos por segundo que generarn un Bosn de Higgs con esa masa, siobviamente existe en la naturaleza.Para entenderlo mejor, vamos a calcular el inverso de esa cantidad:t = 1/(510-4) = 2000 s t = 33 minutosEntonces, cada 33 minutos una partcula de Higgs de esa masa debera aparecer en el detector. Portanto, en 10 horas de un da de funcionamiento, seran 20 bosones de Higgs los que podran serdetectadas.Pero miles de millones de colisiones se producirn en el detector en ese tiempo. Se comprende que eltrabajo para distinguir esos 20 eventos en el medio de tantos otros implica un trabajo de computacin colosal.RelatividadEn el LHC cada protn alcanza una energa de 7 TeV.Veamos el valor que toma el parmetro relativista (gamma) cuando el protn pose esa energa.E = m0c271012eV 1,60210-19J/eV = 1,6710-27kg(3108m/s)2 ~ 7460Como es obvio >>1 , por lo que estamos en el "territorio" de la Relatividad Especial.Podemos calcular la velocidad del protn asociada a esa energa: = 1/[1- (v/c)2]1/2con = 7460 v = 0,999999991c ;entonces:v ~ cEl uso de unidades de energa para otras magnitudes es habitual en la Fsica de Altas Energas. As, la energa en reposo del protn es:E0=m0c2 E0= 1,6710-27kg(3108m/s)2 E0= 1,50310-10J E0= 938,3 MeVDado quem0= E0/c2, la masa en reposo del protn puede ser expresada como m0= 938,3 MeV/c2En unidades mas del LHC tenemos: m0=0,0009383 TeV/c2Aunque se trata de un concepto objeto de controversia, podemos tambin hablar de la masa relativista del protn acelerado hasta la energa de 7 TeV :m = E/c2 m = 7 TeV/c2Comparemos este valor con el de la masa en reposo:m0=0,0009383 TeV/c2para visualizar el incremento experimentado.Tambin podemos considerar el valor del momento lineal do protn en trminos relativistas:E2= (pc)2+ E02 pc = (E2- E02)1/2pc = (72- 0,00093832)1/2 p ~ 7 TeV/cSe trata de un importante parmetro del acelerador. Finalmente, calculamos el campo magntico presente en el acelerador de otra forma a lo hecho en otra seccin:Utilizando el bending radius (rb):rb= 2804 m Fcentripeta= Fmagntica mc2/rb= qcB Con, E = mc2 B = E/(cqrb)Ycomo E = 7 TeV E = 1,1210-6J B = 1,1210-6/(31081,60210-192804) B = 8,33 T La Radiacin Sincrotrn es, de forma simple, radiacinprocedente de partculas cargadas que se mueven a velocidadesrelativistas bajo un campo magntico uniforme. Es elequivalente de la radiacin ciclotrn, y toma el nombre delos aceleradores relativistas. Cuando los ciclotrones sonsuficientemente poderosos para lanzar las partculas a cerca dela velocidad de da luz, la frecuencia orbital de esa partculacambia. Se precisa sincronizar los parmetros del aceleradorpara que se adapte a esos cambios. Tenemos entonces unacelerador sincrotrn. Las partculas sometidas a unatrayectoria permanentemente curvada emiten radiacin: aradiacin sincrotrn.ALBA (Espaa)Instalaciones que usan la radiacin sincrotrn estn en funcionamiento en diversos lugares del mundocomo fuentes muy valiosas de fotones UV e R-X, para investigacin estructural.ALBA es la instalacin espaola ubicada en Cerdanyola del Valls, cerca de Barcelona. Est en fase deconstruccin.En el universo se crean electroness relativistas que son atrapados en campo magnticos diversos. Los objetoscsmicos que emiten radiacin sincrotrn en esas condiciones son muy interesante en el campo de laAstrofsica.Radiacin sincrotnSin embargo, en los aceleradores de partculas circulares, como el LHC, esta radiacin supone un serioproblema. Las partculas cargadas viajando en trayectorias curvadas emiten esta radiacin, y por tanto pierdenenerga. Adems, esa radiacin constituye un problema para todos los sistemas do acelerador (en particular lacriogenia) y tambin desde el punto de vista de la seguridad radiolgica.Las cavidades RF deben restituir esa energa radiada por las partculas.Por revolucin, la potencia perdida es:(donde es el radio)Es importante destacar que dado que = E/m0c2, los electrones pierden energa 1013veces ms rpidoque los protones. Esta es una de las razones de que en el LHC corran protones, y que el posible acelerador deelectrones del futuro (ILC) ser un acelerador lineal.Obtengamos en funcin de otros parmetros del acelerador y sustituyamos su valor en la expresin anterior:Para un protn: P = 4,7010-21B2 2con B = 8,33 T y = 7640 tenemos: P = 1,9010-11WPor tatno, para cada haz: Pbeam= 1,9010-1128081,151011 Pbeam 6135 WFinalmente, la energa perdida por segundo y metro :P (26135)/26659) Pbeam 0,46 W/mPara minimizar las prdidas de energa disminuyendo el nmero de partculas debemos tener en cuenta quela luminosidad vara cuadrticamente con este valor. Entonces, si reducimos el nmero de partculas para bajarla potencia radiada, la luminosidad decrecer con mucha mayor rapidez.La forma de reducir el nmero total de partculas sin comprometer la luminosidad consiste en incrementar elespacio entre bunches -bunchspacing- (utilizar menos bunches) y compensar esta reduccin aumentando elnmero de protones en cada bunch.La radiacin en las reas bajo tierra y en el tnel del LHC es producida por la interaccin de los protones conel gas residual (beam gas interactions) o con ncleos de los tomos de cualquiera de los materiales que rodean alos haces, tales como los colimadores, cables, criostatos, etc.Cuando los protones circulan, hay una pequea pero continua prdida de protones a lo largo de anillo.Esos protones perdidos interactan con lo que est cerca de la trayectoria de los haces, producindose una seriede partculas secundarias como neutrones, piones, kaones y otros protones.Algunas de esas partculas secundarias tienen suficiente energa para interaccionar con ms materia y producirpartculas de tercera generacin, y as sucesivamente. Es lo que se llama cascada hadrnica.Los fragmentos nucleares resultados de la cascada hadrnica son radioactivos y decaen en una escala de tiempoque va de unos segundos a varios das. Es decir, el acelerador continua generando radiactividad aunque noestn circulando partculas por l.Por tanto, todos los materiales (plsticos, aceites, cemento, aluminio,acero, hierro, cobre, etc) cerca de los tubo por donde circulan los protonesson radiactivos una vez que el LHC entr en funcionamiento.Los equipamientos electrnicos en el tnel del acelerador y en las cavernasde los experimentos tambin resultan activados.El nivel de esta activacin radiactiva depende de varios factores: de lacantidad de radiacin recibida, la composicin exacta del material, laposicin en la mquina y el tiempo pasado desde la irradiacin.Por tanto, no es fcil predecir en cada uno de los lugares con exactitud delos niveles de radiacin remanente mientras el acelerador est parado.Radiaciones ionizantesUnidades RadiolgicasEl Gray [Gy]: Expresa la energa depositada por la radiacin por kg de materia irradiada: 1 Gray = 1 Joule/kg.Esta es la unidad utilizada para expresar la cantidad de radiacin recibida por el material en el tnel durante laoperacin del LHC. La tolerancia del material del equipamiento a la radiacin puede ser expresada en trminosda cantidad de Grays que el material puede recibir sin entrar en fallo. Este lmite se conoce como Dosis deIonizacin Total (TID-Total Ionising Dose) del material del equipamiento.En algunos casos, la vieja unidad radiolgica -rad- es an utilizada; 100 rad = 1 Gy.Como ya se ha indicado, se producen unas de paquetes dando lugar a multiplicidades de aproximadamente3000 partculas cada 25 ns. Por tanto, ser muy alto el nivel de radiacin al que estarn sometidos los detectores.Tomemos como ejemplo el Central Barrel de 2000 toneladas del detector CMS. Cada segundo 600millones de colisiones de 14 TeV ocurren en el centro de ese enorme cilindro, y vamos a considerar que la mayorparte de la energa de esas colisiones se deposita en esa parte del detector. Entonces, la energa total depositadapor ao (~300 das y 10 h por da) es:(600106colisiones/seg)x(141012 eV x 1,610-19J/eV)x(300 das x 10 horas/da x 3600 seg/hora) 1,5 1010JPor tanto, la absorcin de radiacin por kilogramo de material en el Central Barrel del CMS es enpromedio:Dosis de Radiacin Absorbida (1,5 1010J) / (2000103 kg) 7500 Gray/aoEn realidad, el valor superar los 10 kGy/ao en las zonas ms expuestas.O Sievert [Sv]: Expresa la dosis recibida por un ser humano. La dosis en Sieverts es igual a la dosis absorbidaen Grays multiplicada por un factor de calidad llamado Q. Este factor -Q- depende del tipo de radiacin y dela energa de la partcula para tener en cuenta los efectos biolgicos. Los valores de Q varan entre 1 y 20 y hansido determinados por la International Commission for Radio Protection (ICRP).Cuando no hay haces presentes en el LHC, hay solo radiacin remanente causada por fotones (R-X y gamma)y electrones (rayos de baja intensidad). En este caso es correcto tomar Q= 1, as que 1 Sv = 1 Gy.En algunos casos, la vieja unidad radiolgica -rem- es an utilizada; 100 rem = 1 Sv.El Becquerelio [Bq]:Unidad utilizada para definir la actividad de una fuente radioactiva. 1 Bq corresponde a 1desintegracin por segundo. Material con actividad menor que 2 Bq/gramo es clasificado como no radiactivo.En algunos casos, an se sigue usando el Curie: 1 Curie = 3107Bq.Usualmente, la actividad en las zonas controladas del CERN se expresan en trminos da velocidad de dosis remanente en Sv/hr a 10 cm de distancia del objeto.Dosis lmiteEI ICRP recomienda una dosis lmite de 20 mSv/ano para trabajadores en instalaciones nucleares.El CERN tiene establecido una dosis lmite de 15 mSv/ano para personal especfico, 6 mSv/ano paraotros miembros del staff y 1 mSv/ano para el resto de personas.Es interesante comparar la dosis adicional recibida por el personal del CERN debido a su trabajo, con ladosis recibida por cualquiera persona que viva en el Pays de Gex (onde la mayor parte del LHC estubicado):Proporcin de dosis lmiteLas reas controladas en el CERN estn clasificadas de acuerdo con su proporcin de dosis remanente. En la prctica ser difcil obtener autorizacin para realizar trabajos en las reas con un intervalo de dosis por encima de 2 mSv/hr, mientras que en zonas con menos de 1 mSv/h es habitualmente admitido.La proporcin de dosis remanente en el Pays de Gex es aproximadamente de 0.1 Sv/hora o 100 nano Sieverts/hora.Fuente de radiacin Dosis anualRayos csmicos 0.6 mSvRadiacin terrestre (granito, etc) 0.6 mSvRadiacin interna (potasio) 0.4 mSvRadn en casas 2.2 mSvVuelos intercontinentales 0.1 mSvExmenes mdicos 1.0 mSvTotal 4.9 mSvrea Lmite de dosisrea controlada < 2 mSv/hrLmite permanencia en rea < 2 mSv/hrrea altamente radioactiva > 2 mSv/hrrea prohibida > 100 mSv/hrAgujeros negrosNo hay bases para estar preocupados por las consecuencias que se puedan derivar de la generacin enel LHC de nuevas partculas o formas de materia. As se manifestaron los cinco fsicos que constituyen elLHC Safety Assessment Group."Todo lo que el LHC pueda hacer ya lo ha hecho la Naturaleza muchas veces antes".Algunos cientficos crticos han argumentado, no obstante, que el CERN ha ignorado o menospreciado elriesgo de que el LHC pueda producir un "agujero negro" que acabe con la Tierra, o que se puedan crear otraspartculas peligrosas.El LHC Safety Assessment Group, sin embargo, desde sus estudios precisa que rayos csmicos ultraenergticos producen colisiones equivalentes a las del LHC sobre la Terra y otros objetos astronmicos deforma continua. Esto se traduce en que la Naturaleza ha completado alrededor de 1031programasexperimentales LHC desde el comienzo del Universo, y las estrellas y las galaxias estn an ah ,argumentan.Los rayos csmicos son partculas energticas originadas en el espacio y que colisionan contra la atmsfera dela Tierra. Casi el 90% de ellos son protones, alrededor del 9% son ncleos de Helio (partculas alfa) y un 1% sonelectronesLos rayos csmicos estn bombardeando la atmsfera terrestre continuamente y una parte de elloscon energas mayores que las de los protones en el LHC. Por tanto, estos rayos pueden producir en elcentro de masas energas equivalentes y superiores a las que se va generar en las colisiones del LHC.Imagen de la web de NASALos siguientes clculos pretenden de una forma simple explicar el razonamiento del LSAG Report queasegura que no existe riesgo de ningn tipo en el Gran Colisionador de Hadrones. (LHC)Calculemos la energa necesaria que deben poseer para que chocando con un blanco fijo (partculas enreposo en la atmsfera), impliquen una energa total en la colisin de 14 TeV.Debemos utilizar condiciones relativistas. Llamemos sistema LHC a aquel en el que dos protonescolisionan de frente, y sistema CR (Cosmic Ray) a aquel en el que un protn (rayo csmico) colisiona contraun blanco fijo (protn en reposo en la atmsfera).Siendo E la energa de las dos partculas en el sistema y P el momento total, de las relaciones de invarianza dela Teora Especial de la Relatividad se sigue:As, la energa equivalente en el centro de masas, cuando un protn (rayo csmico) colisiona contra laatmsfera, ser como mnimo de 14 TeV si la energa de ese protn es 1017eV o mayor.La figura siguiente muestra el espectro energtico diferencialpara los rayos csmicos. Nosotros hemos de considerar el flujototal debido a rayos csmicos con energa de 1017eV o mayor.En la grfica est representado el Flujo diferencial en funcinde la energa de los rayos csmicos. De forma sencilla es unamedida del nmero de rayos csmicos que inciden en funcin desu energa por metro cuadrado y segundo en la atmsferaterrestre.Para conocer el Flujo total en el rango de energas superior a 1017eV podemos aproximarnos calculando el rea del tringulodibujado.Su altura es de unas 10-20partculas/(m2srsGeV).1y su base es dealrededor de 1020eV (1011GeV). Por encima de ese valor el flujo derayos csmicos es depreciable.Entonces:Supondremos que el Sol recibe la misma cantidad de esa clase de rayos csmicos ultra energticos (elcampo magntico del Sol es enorme y muy complejo) y que todos los rayos csmicos son protones. Unaaproximacin ms exacta no afectara para nada a la conclusin de que el LHC no supone riesgo alguna para laTierra.La superficie del Sol es:Por tanto , cada segundo el nmero de colisiones, equivalentes en energa a las del LHC, en la superficie delSol es:El nmero de colisiones por segundo en ATLAS o CMS a la mxima luminosidad posible es de alredor de:600 millones/s 109colisiones/segundo.Por tanto, el Sol sufre cada segundo el mismo peligro que el que existir debido a las colisiones en elLHC en ese mismo tiempo. Pero esta situacin para el Sol viene ocurriendo desde su creacin. Y el Sol anexiste.Si adems consideramos los millones de estrellas an ms grandes que nuestro Sol, y por tantosufriendo ms colisiones, es fcil asumir que verdaderamente no hay ninguna razn para el alarmismo.DETECTORES INTRODUCCIN ATLAS CMS LHCb ALICE TOTEM LHCf MoEDALINTRODUCCINLos eventos (un evento es una colisin con todas sus partculas resultantes) son estudiadas en detectoresgigantes que son capaces de reconstruir lo que ocurri durante las colisiones, y todo esto en un entornoelevadsimo de tasa de colisiones. Pueden ser comparados con enormes cmaras digitales tridimensionales quepueden tomar 40 millones de "secuencias" (digitalizadas por decenas de millones de sensores) porsegundo. Los detectores son construidos en capas, teniendo cada capa una determinada funcionalidad. Lasinternas son las menos densas, mientras que las exteriores son las ms densas y compactas.Las partculas muy masivas que los cientficos esperan crear tienen una muy corta vida, decayendo en otras msligeras y ya conocidas. Despus de una colisin cientos de esas partculas ligeras como electrones, muones yfotones, protones, neutrones y otras, vuelan a travs del detector con velocidades prximas a la de la luz. Losdetectores usan esas partculas ligeras para deducir la breve existencia de las nuevas y pesadas producidas.Los detectores del LHC fueron designados, construidos y llevados a cabo por colaboraciones internacionalesprocedentes de todas partes del mundo. Hay cuatro grandes experimentos (ATLAS, CMS, LHCb y ALICE) ytres pequeos (TOTEM, LHCf y MoeDAL). Fueron necesarios vente aos para el diseo y construccin delos detectores y la duracin de los experimentos ser del orden de 15 aos.Las trayectorias de las partculas cargadas son curvadas por campos magnticos, y los radios de curvatura sonutilizados para calcular sus momentos: cuanto ms alta es la energa ms abierta es la curvatura. Por tanto,partculas con mucha energa cintica presentan una suficiente trayectoria a travs del detector para sermedido su radio de curvatura e por tanto su momento.Otras partes del detector son los calormetros destinados a medir la energa de las partculas (tanto de lascargadas como de las no cargadas). Los calormetros tambin deben ser suficientemente grandes paraabsorber la mxima energa posible. Estas dos son las razones de que los detectores del LHC sean tan grandes.Los detectores rodean el punto de interaccin para recoger toda la energa de las partculas y el balance de losmomentos de cada evento para reconstruirlo en detalle. Combinando la informacin desde las diferentescapas es posible determinar el tipo de partcula que dej su traza en cada capa.Las partculas electrones, protones ye muones dejan trazas por ionizacin. Los electrones son muy ligerosy por tanto pierden su energa muy rpidamente, mientras que los protones penetran ms profundamente enel detector. Los fotones no dejan trazas por si mismo pero en el calormetro se convierten en pares electrn-positrn, cuyas energas pueden ser medidas. La energa de los neutrones puede ser medida indirectamente apartir de la transferencia de la misma que hacen hacia protones. Los muones son las nicas partculas quealcanzan y son detectadas por las capas ms externas del detector.Cada parte del detector est conectado a un sistema de lectura electrnica a travs de miles de cables. En elinstante en que un impulso es producido el sistema registra el lugar y momento exactos enviando lainformacin a la computacin. Centenares de computadores trabajan conjuntamente para combinar esainformacin. En lo ms alto de la jerarqua computacional se decide en una fraccin de segundo que evento esinteresante y cual no. Hay diversos criterios para seleccionar los eventos potencialmente significativos,reducindose as la cantidad de eventos desde los 600 millones producidos a unos centenares que serninvestigados en detalles.ATLASEl detector ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS ) es el ms grande detector en la Fsicade Partculas dedicado a propsitos generales (designado para "ver" un amplio rango departculas y fenmenos producidos en las colisiones en el LHC). Mide 46 metros delargo, 25 metros de alto y 25 metros de ancho; pesa 7000 toneladas y consiste en100 millones de sensores para medir las partculas que emergern de las colisionesprotn-protn en el LHC. La primera pieza de ATLAS fue instalada en 2003 y la ltimafue bajada en marzo de 2008, completndose as el gigantesco puzzle.ATLAS podra dar respuesta a la misteriosa "materia e energa oscura", y buscar dimensiones extra en el espacio-tiempo. Est diseado para ser capaz de descubrir nuevas partculas y nuevos fenmenosesperados como extensiones del Modelo Estndar: supersimetra o el Bosn de Higgs.Si el campo de Higgs no es la respuesta buscada para entender la masa de las partculas, se espera que el experimento ATLAS gue a los fsicos en la correcta direccin.ATLAS es una colaboracin mundial que implica a unos 2100 cientficos e ingenieros de 167 instituciones de 38 pases. Son: Argentina, Armenia, Australia, Austria, Azerbaiyn, Bielorrusia, Brasil, Canad, Chile, China, Colombia, Repblica Checa, Dinamarca, Francia, Georgia, Alemania, Grecia, Hungra, Israel, Italia, Japn, Marruecos, Holanda, Noruega, Polonia, Portugal, Rumania, Rusia, Serbia, Eslovaquia, Eslovenia, Espaa, Suecia, Suiza, Taiwn, Turqua, Reino Unido y EEUU.CMSCMS (Compact Muon Solenoid) es, junto con ATLAS, un detector de "propsito general"diseado para explorar la fsica en la escala del TeV en un amplio rango de partculas yfenmenos producidos en las colisiones en el LHC. En ella se espera encontrar respuesta apreguntas como: Hay an principios fundamentales sin descubrir? Es el mecanismo Higgsel responsable de la masa visible del universo? Cmo podemos resolver el misterio dela energa oscura? Hay dimensiones extra en el espacio? Cmo se cre el universo? Estel Bosn de Higgs detrs de la masa de las partculas?El cuerpo principal del detector CMS es un cilindro multicapa de unos 21 mde largo y 16 mde dimetro, conun peso total de ms de 13000 toneladas. La capa ms interior es el silicon-based particle tracker (detectorde trazas hecho de silicio) rodeado por el scintillating crystal electromagnetic calorimeter (calormetroelectromagntico de cristal escintilador o de centelleo ), que a su vez esta cubierto por el sampling calorimeterfor hadrons (calormetro de muestra para hadrones) midiendo la energa de las partculas. Todos estossubdetectores se encuentran dentro del solenoide central superconductor (3,8 Tesla), de 13 mlargo y 6 mde dimetro, que permitir medir el momento de las partculas cargadas. En el exterior del solenoide estn loslarge muon detectors (grandes detectores de muones), que estn insertados en piezas de hierro que constituyenel ncleo de retorno del campo magntico.La colaboracin CMS comprende 2300 cientficos de 159 instituciones- entre ellas el Instituto de Fsica de Cantabria (CSIC-UC)- en 37 pases.LHCbEl detector LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) es un detector de 21 mde largo, 10 m de alto y 13 m de ancho, estando diseado para estudiar la "violacinCP y otros raros fenmenos de decaimiento de hadrones formados por quarks pesados,en particular con quarks tipo b (mesones B).El incumplimiento de la simetra CP tuvo como sustento terico el proporcionado en 1973 por MakotoKobayashi y Toshihide Maskawa (premiados con el Nobel 2008, junto a Yoichiro Nambu), que sealaron,ademas, que esa violacin se seguira automticamente si haba al menos seis tipos -sabores- de quark. Aosdespes, los dos quarks que faltaban - beauty y top - fueron descubiertos.El inters por la violacin CP no solamente est dirigido hacia las partculas elementales si no tambin hacia lacosmologa, pues hay que explicar el dominio de la materia frente la antimateria, lo que podra estarrelacionado con la referida Violacin CP. El experimento LHCb mejorar significativamente los resultadosobtenidos anteriormente en otros experimentos (Belle y Babar), tanto cualitativa como cuiantitativamente, graciasal gran nmero de diferentes clases de hadrones producidos a partir de las colisiones protn-protn en el LHC.Los mesones B aparecen con ms probabilidade cerca de la direccin de los haces de protones, por eso el detectorLHCb est diseado de forma que los subdetectores forman un ngulo de menos de 50 con la horizontal.Adems, solamente se ha construido una de las dos partes (desde el punto de colisin hacia uno de los lados),siendo entonces un detector diferente a los otros tres, que se pueden entender como detectores de tipo cilndrico.Las partes fundamentales del detector son el vertex detector, que mide las trazas de las partculas cargadas, y elRing-Imaging Cherenkov - RICH - que identifica las diferentes clases de partculas producidas.565 cientficos de 47 universidades y laboratorios de 15 pases estn o han estado relacionados con lostrabajos en el LHCb .ALICEALICE (A Large Ion Collider Experiment), estudia las interacciones entre ionesrelativistas (es decir, iones que alcanzan velocidades prximas a la de la luz). Elobjetivo de este experimento es la fsica de la interaccin fuerte adensidades muy alta, en la que se forma una nueva fase de la materia: elplasma quark-glun (QGP).A estas altas densidades y temperaturas podra verificarse el estado dedesconfinamiento (quarks y gluones libres) y la llamada restauracin de lasimetra quiral, en la que las masas de todos los quarks son cero.De alguna forma, se estar reproduciendo como era el universo instantesdespus del Big Bang.Los iones de Plomo son producidos por una muestra altamente purificada de plomo calentada a unos 550C. Elvapor de plomo se ioniza mediante una corriente electrnica. Se generan muy diferentes iones cargados con unmximo de alrededor de Pb27+. Estos iones son seleccionados y acelerados hasta 4.2 MeV/u (energa pornuclen) antes de que pasen a travs de una hoja de carbn que convierte a la mayora de ellos en Pb54+.EL haz de Pb54+es acumulado, y despois acelerado hasta 72 MeV/u en el Low Energy Ion Ring (LEIR), que lostransfiere al PS.El PS acelera el haz hasta 5.9 GeV/u y los enva al SPS despus de haber pasado por una segunda hoja de carbonoque lleva a los iones a su mxima carga: Pb82+.El SPS los acelera hasta 177 GeV/u, para ser finalmente insertados en el LHC, que los acelera a 2.76 TeV/u.El detector consiste en dos principales componentes: la parte central compuesta de subdetectors dedicadosal estudio de seales de hadrones y electrones, y el espectrmetro de muones dedicado al estudio delcomportamiento de los quarkonios (mesones formados por la pareja de un quark y su antiquark) en lamateria de alta densidad.La parte central est encajada en un gran solenoide de campo magntico dbil (corriente de 6000 A y campode 670 miliTesla). La parte ms interior del detector es el tracking system (sistema de trazas), que consisteen the inner tracking system(ITS) y el outer tracking system(TPC).El TPC (Time Projecting Chamber) es el principal componente de ALICE siendo una "cmara deproyeccin de tiempo". Esta parte es un detector principal de rastreo de partculas en la zona central, el puntode interaccin, y con outros subdetectores ( ITS, TRD e TOF) proporciona informacin tanto del momento departculas cargadas como de la identificacin y determinacin de los vrtices resultantes de las colisiones.El TPC es un detector principal en muchos experimentos en Fsica de Altas Energas.La colaboracin Alice comprende: 29 paises, 86 institutos, 1000 miembros. TOTEMEl experimento TOTEM (Total Cross Section, ElasticScattering and Diffraction Dissociation) mide la seccineficaz total p-p y estudia la dispersin elstica ydifractiva en el LHC.TOTEM est ubicado a unos 200 metros a un lado a otro delpunto de colisin del detector CMS (IP5).Modesto en tamao, TOTEM est instalado cerca del punto de colisin en el centro del detector CMS. Utiliza sensores de silicio en el tnel del LHC a una distancia de unos 200 metros del centro del CMS.La medida del "scattering" (dispersin) de las partculas a muy pequeos ngulos permitir el estudio deprocesos fsicos que no pueden ser estudiados de ninguna otra forma. Por ejemplo, cmo el tamao y laforma de los protones varan con la energa.Se estudian colisiones en las que uno de los protones "sobrevive" y el otro da lugar a nuevas partculas quesalen con direccin frontal, y tambin colisiones en las que los dos "sobreviven" deflectndose ligeramente un alotro.El experimento TOTEM usa tres tipos de detectores: uno tipo Roman Pot, utilizados para detectar protones; yotros dos -Cathode Strip Chambers y GEM Detectors- que miden los chorros de partculas producidas en lascolisiones y que salen frontalmente.La colaboracin TOTEM comprende unos 80 fsicos de 11 universidades y laboratorios en 8 pases.LHCfEl experimento LHCf (LHC forward) est colocado a los dos lados del experimentoATLAS a unos 140 m del punto de interaccin (IP1). Sus dos detectores, hechos de placas detungsteno y plstico escintilante, pueden medir con gran precisin el nmero y energade los piones neutros y otras partculas producidas en las direcciones frontales(forward direction) en las colisins en ATLAS.El objetivo de este experimento es el estudio de las secciones eficaces para la produccin de partculasneutras generadas en direcciones prcticamente paralelas a la de los haces de protones o ncleos.La produccin de piones neutros, fotones gamma y neutrones ser investigada durante la fase inicial delarranque del LHC, a baja luminosidad (inferior a 1030cm-2s-1).Este estudio es muy importante para la comprensin de las cascadas de partculas producidas en laatmosfera como consecuencia de las colisiones de los Rayos Csmicos de Ultra Alta energa. Losmtodos utilizados para extraer informacin de la radiacin primaria procedente de las colisiones de los rayoscsmicos depende del modelo de interaccin supuesto. En el experimento LHCf se puede acumular en unaspocas horas datos suficientes para tener una estadstica que permita considerar la validez de esos modelos.Tambin se puede acceder a radiacin procedente de las colisiones protn-protn en ngulos ligeramentediferentes a la ireccin de colisin mediante el movimiento del detector.Los dos calormetros electromagnticos, situados a 140 metres a ambos lados del IP1 (ATLAS), consisten enun "sandwich" de material escintilante y tungsteno.Las dimensiones de cada uno de esos calormetros es de solo 10cmx 30cm x 90cm.Las medidas de LHCf, junto con las de seccin eficaz inelstica (TOTEM), son de suprema importanciapara la comprensin de la evolucin de las cascadas de partculas resultado de las colisiones de losRayos Csmicos de Ultra Alta energa.LHCf es el ms pequeo de los seis experimentos oficiales del LHC, y comprende una colaboracin de 22cientficos de 10 instituciones en 4 pases.MoEDALMoEDAL es una colaboracin formada por fsicos de Canada, CERN, Rpublica, Checa,Alemania, Italia, Rumana y EEUU, y est preparando la instalacin del detectordurante la larga parada doel LHC que comenzar a finales de 2011. Se compone deun conjunto de aproximadamente 400 detectpres nucleares de trazas (NTDs).Cada NTD consiste en un apilamiento de 10 capas de plstico lo que da unha superficieequivalente de 250 m2. MoEDAL estar desplegado en la regin de interseccin enel Punto-8 del LHC donde est el VErtex LOcato (VELO) del detector LHCb.MoEDAL (the Monopole and Exotics Detector At the LHC) es el ms nuevo de los experimentos queInvestigar las colisiones en el Large Hadron Collider. Aprobado por el CERN en Diciembre de 2009, elexperimento MoEDAL ir a la bsqueda de partculas muy exticas monopolos magnticos y partculasmasivas (SMPs). Tiene unas dimensionEs modestas y estar ubicado en la caverna en la que se encuentrael experimento LHCb, ms exactamente aadido al VELO.MODELO ESTNDAR ANTIMATERIA INTERACCIONES DIAGRAMAS DE FEYNMAN PARTCULA DE HIGGS VIOLACIN CP Y MS ALL MODELO ESTNDAREl Modelo Estndar de Fsica de Partculas es la mejor teora que los fsicos tienen actualmente para describirlos bloques fundamentales del edificio del universo. Es uno de los logros ms grandes de la ciencia del siglo XX.El Modelo Estndar describe el universo usando 6 quarks, 6 leptones y algunas partculas portadoras de lafuerza. Hay cuatro fuerzas conocidas (o interacciones), cada una mediada por una partcula fundamental,conocida como partcula intermediaria o portadora. Tres de ellas son los fotones (interaccinelectromagntica), gravitones (interaccin gravitatoria), y los gluones (interaccin fuerte) que no tienenninguna masa, mientras que las partculas Wy Z, portadoras de la fuerza dbil tienen una masa de 80-90GeV/c2.La Gravedad est incluida solamente en el Modelo Estndar como hiptesis especulativa, pues los gravitones no se han observados directamente an. A energas muy altas y a escalas muy pequeas las interaccionesfuerte, electromagntica y dbil llegan a ser casi idnticas, pero laconvergencia es imperfecta.Las fuerzas electromagnticas y gravitacionales varan con el cuadradoinverso de la distancia y tienen alcance infinito. Sin embargo las fuerzasnucleares fuertes y dbiles son de muy corto alcance.En el caso da fuerza dbil, ese corto alcance tiene que ver con la enormemasa de las partculas portadoras de la fuerza. En el caso de la fuerzafuerte, la razn de su corto alcance dr debe a su especial comportamientoque hace que aumente asintticamente con la distancia. Por tanto, segnaumente la distancia estn implicadas energas cada vez mayores.Las partculas que "sienten" la fuerza nuclear fuerte se llaman hadrones,mientras que las que no la sienten son los leptones. Los hadrones seforman por unin de partculas ms elementales llamadas quarks, mientrasque los leptones se consideran como partculas sin estructura y por tantoverdaderamente elementales.Hay seis tipos (tambin llamados sabores) de quarks y de leptones (vercuadro).Los leptones pueden existir aislados pero los quarks se asociansiempre en tros (bariones) o en parejas quark-antiquark(mesones).Los protns y los neutrones son los bariones ms conocidos, meintras quepiones y kaones son mesones.Los quarks existen solamente dentro de los hadrones donde estn confinados por la fuerza fuerte. Portanto, no podemos medir su masa aislndolos. Esta es una caracterstica nueva y radical de la fuerza fuerte(conocida como libertade asinttica de los quarks), cuya explicacin les vali el premio Nobel a Gross,Wilczek y Politzer en el ao 2004.Por otra parte, todas las partculas se clasifican como fermiones o bosones. La diferencia entre ellas esdebida al valor de su spin.Fermin: nombre para las partculas caracterizadas por un spin fraccionario del momento angularintrnseco en unidades de h/2 (1/2, 3/2, 5/2...), y que se comportan segn la estadstica de Fermi-Dirac, esdecir no pueden ocupar el mismo estado cuntico simultneamente.Los quarks, leptones y bariones son todos fermiones.Dos fermiones "se oponen" a ser situados cerca uno del otro. Por tanto, los fermiones poseen "rigidez" yde ah se van a derivar todas las propiedades macroscpicas de la materia. Por tanto, se consideran a vecesa los fermiones como "partculas de materia".El principio de exclusin de Pauli obedecido por los fermiones es responsable de la estabilidad de loselectrones e los tomos (y por tanto de la estabilidad de toda a materia). Tambin es responsable de lacomplejidad de los tomos (dada la imposibilidad de que todos los electrones atmicos ocupen el mismonivel de energa), siendo sta la explicacin de la variedad qumica del universo. Es tambin responsablede otros efector tan espectaculares como la presin dentro de la materia degenerada que gobierna en granparte el estado de equilibrio de las enanas blancas y de las estrellas de neutrones.Bosn: nombre para las partculas con spin entero (0, 1 , 2...) en unidades de h/2 de momento angular yque responden a la estadstica de Bose-Einstein.En contraste con los fermiones, varios bosones pueden ocupar el mismo estado cuntico. As, losbosones con misma energa pueden ocupar el mismo lugar en el espacio. Son pues las partculas queconforman los campos de fuerza y por tanto son bosones las partculas portadoras de todas lasinteracciones. Los mesones son tambin bosones.Las caractersticas del LASER y del MASER, el Helio-4 superfluido y los llamados condensados deBose_Einstein son debido a las propiedades de los bosones.Los nicos dos bosones en el Modelo Estndar que deben an ser descubiertos experimentalmente son el bosn de Higgs y el gravitn. Antimateria A finales de la dcada de 1920, Paul Dirac aplic a la mecnica cuntica la Teora Especial de la Relatividad de Einstein. Como resultado de esta nueva interpretacin se sigue que debe haber estados de energa negativa: Dirac sugiri que la falta de un electrn en uno de esos estados sera equivalente a una partculas de vida corta de carga positiva -un positrn- y con la misma masa que el electrn. En la materia ordinaria, un positrn encontrara rpidamente un electrn, desapareciendo ambos (aniquilacin) y generndose, por ejemplo, un par de fotones. Una manera meramente descriptiva de aproximarse a este proceso es suponer que los electrones que ocupan los estados de energa negativa se encuentran fuera de cualquier interaccin que los permita observar, pues su energa es la ms baja posible. Sin embargo, un fotn de alta energa (rayo gamma) podra hacer que uno de ellos dejase ese estado hacindose visible como tal electrn. Pero simultneamente quedara "un hueco" en el estado de baja energa que se comportara como una partcula positiva de igual masa que el electrn. Es decir, un "electrn positivo" (un positrn). Tenemos entonces la creacin de un par electrn-positrn. De inmediato un electrn en un estado de energa superior "bajara" a ese estado inferior libre, por lo que dejaramos de observarlo, y el hueco (positrn) tambin. Esto sera la aniquilacin. Por eso, esas partculas que parecen aniquilar a las "normales" de materia se llaman antimateria. Para cada partcula de materia existe sucorrespondiente de antimateria. La partcula deantimateria es idntica a la correspondiente demateria excepto en alguna clase de carga ocaracterstica cuntica, para la que presenta el valoropuesto. Como hemos comentado para el par electrn-positrn, cuando una partcula se encuentra con suantipartcula, se aniquilan par dar lugar a bosonescomo fotones, gluones o Z (partcula neutraintermediaria en la interaccin dbil). A la inversa,bosones con suficiente energa pueden dalugar a la produccin de pares partcula-antipartcula. Estos dos tipos de sucesos constituyen la base de loseventos generados en las colisiones en unacelerador de partculas como el LHC. Un problema no resuelto en cosmologa es saberpor que en el universo domina la materiafrente la antimateria. La respuesta a estapregunta es uno de los principales objetivos delexperimento LHCbver violacin CP). La creacin por primera vez de tomos de antimateria en el CERN abri la puerta a la sistemtica exploracin del "antiuniverso". La receta para fabricar anti-hidrgeno es muy simple - tmese un antiprotn y un anti-electrn, ponga este ltimo en rbita alrededor del primero- pero es muy difcil llevarlo adelante porque las antipartculas no existen de forma natural en la Terra. Ellas pueden ser solamente creadas en el laboratorio, y an as raras veces las condiciones son las precisas para que se puedan juntar para formar el anti-hidrgeno. Tres cuartas partes do nuestro universo es hidrgeno. Si el comportamiento del anti-hidrgeno difiere solo en una muy ligera forma del hidrgeno ordinario, los fsicos tendran que rehacer o abandonar muchas de las ideas establecidas sobre la simetra entre materia y antimateria. Se acepta actualmente que la antimateria "funciona" bajo la gravedad de la misma forma que la matera, pero si en la naturaleza el comportamiento non es simtrico se debe averiguar como y por qu. Se trata entonces de observar si el anti-hidrgeno realmente se comporta tal como lo hace el hidrgeno ordinario. Estas comparaciones pueden ser hechas con una gran exactitud, e incluso la aparicin de una muy pequea asimetra tendra enormes consecuencias para la comprensin de nuestro universo. Para que estas observaciones se puedan llevar a cabo es preciso mantener anti-tomos durante segundos, minutos, das o semanas. Las tcnicas necesarias para almacenar la antimateria se siguen desarrollando en el CERN. InteraccionesLas partculas "sienten" una fuerza debido a la presencia de otra partcula que posee una misma clase decarga.Esta carga es una propiedad de las partculas que determina la intensidad y la participacin en el proceso deinteraccin. Una partcula con carga elctrica tiene interaccin electromagntica; unha con carga fuerte (ocarga de color) tendr interaccin fuerte, si tiene carga dbil (isospin o hipercarga) tiene interaccin dbil, y,finalmente, si tiene carga inercial (masa) determina la interaccin gravitatoria.Una consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenberg es que la energa y tiempo estncaracterizadas por incertidumbres complementarias. Hay siempre, en cada punto del espacio -tambin en unperfecto vaco- un cierta indeterminacin en los valores de energa y tempo que no puede ser reducida a cerosimultneamente.Et ~ E~ /t mc2~ /tm~ /(tc2)(1) Puede existir una partcula con masa mmientras su duracin no supere t.El significado del Principio de Heisenberg a este respecto, se puedeexpresar diciendo que "algo" puede surgir de la "nada" si ese "algo" vuelve aser "nada" despus de un muy breve lapso de tiempo. Un intervalo demasiadocorto para ser observado ese "algo". Estas micro-violaciones de laconservacin de la energa no solamente estn permitidas sin no que en elvaco continuamente pares partcula-antipartcula aparecen y seaniquilan.Aunque esas partculas, llamadas con razn PARTCULAS VIRTUAIS, nopueden ser observadas individualmente, su existencia es indiscutida.La figura muestra la interaccin entre dos electrns "usando" un fotnirtual(diagrama de Feynman). vEn virtud de relacin vista en (1), cuanto menos masa tenga una partcula virtual, ms tiempo puede durar yviceversa. As, un fotn virtual o un gravitn virtual como tienen masa nula pueden durar un intervalo detiempo infinito, mientras que un protn o un antiprotn virtuales durarn un tiempo muy pequeos.Para cada interaccin hay una partcula "portadora" de la fuerza (un bosn) asociado con las excitacionesdel campo de fuerzas correspondiente a esa interaccin. Esas partculas portadoras son partculas virtuales quesurgen del vaco, como ya ha sido comentado anteriormente, de acuerdo con el Principio de Heisenberg.Los gluones son las particulas portadoras de la interaccin forte, los fotones son los portadores de lainteraccin electromagntica, los bosones W y Z "llevan" la interaccin dbil, y los gravitones estnpropuestos como partculas portadoras de la interaccon gravitatoria.Veamos como ejemplo la desintegracin de un mun negativo en un electrn, en un antineutrinoelectrnico y un neutrino munico, a travs de una partcula virtual W:Como ya se indic antes, en virtud de (1), las interacciones electromagntica y gravitatoria tienen alcanceinfinito porque las partculas portadoras de esas interacciones (fotn y gravitn) tienen masa nula y por tantoduracin infinita. Por contra, las partculas portadoras de la interaccin dbil tienen unha enorme masa, deah que que el alcance de esta interaccin sea muy corto (< 10-15m). El caso de la interaccin fuerte esdiferente debido a las peculariedades de la carga de color (libertad asinttica).Muy importante es no confundir la existencia de las partculas reales -por ejemplo, un fotn real emitido porun tomo excitado es perfectamente detectable- con esas mismas partculas, pero virtules, portadoras de unadeterminada int