14/09/2012 - Primera colisión de protones con iones pesados en el LHC

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El LHC (Gran Colisionador de Hadrones) ha superado con éxito retos tecnológicos importantes para colisionar protones contra núcleos de plomo por primera vez. Estos experimentos, que se ampliarán en 2013, servirán para profundizar en el conocimiento de la estructura de la materia a muy altas energías.

Este jueves pasado en el CERN, las 1h26, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha ensayado las colisiones de protones con iones de plomo por primera vez. El cambio a colisionar diferentes tipos de partículas (protones contra núcleos, compuestos también de neutrones) en lugar de hacerlo entre partículas iguales (protón-protón) presenta importantes retos técnicos.

El tipo de colisiones probado esta semana, que se producirán realmente de enero a febrero de 2013 -antes del 'apagón' del LHC para su mantenimiento-, profundiza en el estudio de la materia en condiciones extremas a muy alta energía, recreando condiciones que se produjeron instantes después del Big Bang.

El físico de aceleradores y jefe del equipo de iones de plomo del CERN, John Jowett, destaca las dificultades técnicas: “En primer lugar, las colisiones son asimétricas en energía, lo cual supone un reto para los experimentos. A nivel del acelerador realmente no vemos la diferencia de tamaño de las partículas, pero la diferencia en el tamaño del haz, y el hecho de que el tamaño cambia a diferentes velocidades, puede afectar a cómo se comportan las partículas en las colisiones”.

Ademas existen otros retos. El LHC acelera habitualmente dos haces de protones en direcciones opuestas (de 0,45 teraelectronvoltios a 4 TeV) antes de hacerlas colisionar a una energía total de 8 TeV. Las cavidades de radiofrecuencia (RF, por sus siglas en inglés), componentes del acelerador que contienen campos electromagnéticos que impulsan las partículas, proporcionan la energía y mantienen los dos haces en estricta sincronía, haciéndolos retroceder cuando es necesario.

El problema surge porque los anillos independientes por los que circulan los dos haces están contenidos dentro de un solo imán, un sistema que vincula el momento de un haz con el del otro. Pero las partículas tienen velocidades distintas: un núcleo de plomo, que contiene 82 protones, es acelerado desde 36,9 a 328 TeV, mientras que un protón lo hace de 0,18 a 1,58 TeV.

Para compensar estas diferencias de velocidad entre los protones e iones de plomo es necesario sintonizar las cavidades de radiofrecuencia a diferentes frecuencias para cada haz. “Los sistemas de RF de los dos anillos pueden sincronizarse sólo a la máxima energía antes de las colisiones, cuando la pequeña diferencia de velocidad entre ambos tipos de partículas puede ser absorbida por pequeños cambios en las órbitas”, explica Jowett.

Lo más complicado para el LHC

Según Carlos Salgado, físico teórico de la Universidad de Santiago de Compostela en el CERN, este juego de sincronización de las velocidades y curvaturas de los haces “es el sistema más complicado de conseguir en el LHC”. En el colisionador RHIC del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EEUU), se producen también colisiones entre iones pesados (en este caso núcleos de oro), pero son más fáciles de producir puesto que los imanes son independientes, por lo que se pueden sincronizar mejor las velocidades y curvaturas de los haces.

Anteriormente se habían colisionado protones contra núcleos fijos, no en movimiento. “Y es la primera vez que se producen colisiones entre protones y núcleos pesados”, subraya el investigador, que destaca dos utilidades: "En primer lugar, sirve para calibrar las mediciones realizadas en las colisiones entre iones pesados ya experimentadas por el LHC en periodos de 2010 y 2011. Este tipo de colisiones trata de reproducir el llamado 'plasma de quarks y gluones', la ‘sopa’ primordial de la materia que debió existir instantes después del Big Bang y para lo cual se producen temperaturas extremas, 100.000 veces mayores que el interior del Sol".

Por otra parte, “este tipo de colisiones sirve para estudiar el comportamiento de la materia a muy altas energías”, como las que solo es capaz de producir el acelerador del CERN. Este particular estado de la materia tiene unas características predichas por la teoría, pero nunca antes observadas.

También por primera vez, el experimento LHCb se ha sumado a ATLAS, CMS y ALICE, experimentos que estudian las colisiones entre iones pesados, en la toma de datos. Para Salgado, las características de este experimento, diseñado para estudiar las diferencias entre materia y antimateria, lo convierten en un instrumento interesante para analizar este nuevo tipo de colisiones logrado por el LHC.

La participación española en los cuatro principales experimentos del LHC es coordinada y promovida por el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010.

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