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The LEP adventure. LEP, the e+ e- collider at CERN, has been successfully operating since 1989. During the first six years LEP has been running at an energy level of around 91 GeV, which has gradually increased up to 209 GeV in 2000. More than four million events have been collected by each of the four detectors collecting data at LEP: ALEPH, DELPHI, L3 and OPAL. The results obtained have tested the Standard Model of elementary particles to very high precision and set stringent limits to alternative models. The data has been carefully checked for evidence of the Higgs boson and this is still one of the major goals of present analyses. The year 2000 is the last year of the LEP operation and preparation of the new hadron collider LHC will start, which will reach energy levels of 14 TeV by the beginning of 2005. Enero de 1989, a seis meses de que el LEP (Large Electron Positron Machine), el mayor colisionador circular de electrones y positrones, e+ e–, jamás construido, comience a funcionar. El acelerador se encuentra en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas, CERN, en Ginebra. Está situado a una profundidad media de 90 m y su circunferencia es de 27 km. Las aniquilaciones e+ e– constituyen un marco ideal para realizar experimentos de altas energías, ya que todo lo que se observa en los detectores es producto de las colisiones de partículas aceleradas, en este caso el electrón, y su antipartícula, el positrón. La suma de partículas que cada haz transporta se transforma, a través de la interacción electrón-positrón, en todos aquellos estados de materia que la naturaleza permite en este umbral energético (E=mc2). El acelerador LEP se ha construido al límite de su tecnología y muy posiblemente será el último acelerador circular e+ e– que se construya. Con el objeto de superar las energías proyectadas en el LEP, hasta unos 100 GeV por haz, es necesario otro tipo de acelerador, en vista de la inviabilidad del precio y la imposibilidad de aumentar indefinidamente la circunferencia de las órbitas que los haces recorren. A diferencia de los aceleradores e+ e–, en los colisionadores hadrónicos las partículas que se aceleran, hadrones en general, están compuestas de otras más elementales, los quarks y los gluones, que son las que interaccionan. Esto condiciona la interpretación experimental de los sucesos y la hace mucho más complicada que en el caso e+ e–. Por otro lado, el proceso que limita el aumento de la energía del LEP por encima del centenar de GeV por haz es minúsculo en estas máquinas. Por ejemplo, en el caso de protones es 1013 veces menor. Por eso ya se empieza a pensar en los próximos aceleradores como aceleradores hadrónicos. En concreto en el CERN en estos momentos se planifica la construcción del LHC (Large Hadron Collider) que, aprovechando el mismo túnel que el LEP, podrá alcanzar una energía por haz de 7 TeV. Respecto a las cuestiones de física de partículas que se plantean afrontar y eventualmente resolver, en el caso del LEP giran en torno a la estructura del denominado modelo estándar de las relaciones electrodébiles y fuertes, las interacciones que principalmente sienten los leptones y los quarks. ¿Continuará siendo el modelo estándar válido a las distancias que penetrará el LEP? ¿Existe el bosón de Higgs? ¿Habrá tres generaciones de quarks y leptones? ¿Por qué? ¿Cuántos neutrinos ligeros existen? ¿Llegaremos a entender por qué las masas de las partículas son las que son? Éstas, entre otras, son las preguntas que se espera que el LEP aclare.
Figura 1. Esquema a escala del detector DELPHI donde el IFIC ha participado en la construcción de los subdetectores TOF (destelladores) y FEMC (calorímetro electromagnético delantero) y actualmente en el análisis de datos. En una primera fase el LEP tendrá una energía nominal de funcionamiento de unos 45 GeV por haz, suficiente para producir el tan deseado bosón Zº y así poder medir todas sus propiedades de producción y desintegración, con fuertes implicaciones en la comprensión del modelo estándar. Abarcará el periodo 1989-1995 y se espera recoger unos cuantos millones de Zº por experimento, se pretende realizar medidas de muy alta precisión. En la segunda fase se aumentará la energía de LEP hasta el máximo, unos 100 GeV por haz. Si todo sale como está previsto, eso tendrá que ocurrir entre los años 1996-2000. En este caso se podrá observar por primera vez la producción doble de bosones W± mediante el acoplamiento triple de los bosones débiles. El número de sucesos que en este caso se podrán recoger será bastante menor al de la primera fase, de unas cuantas decenas de miles de sucesos. En ambos casos se buscará el bosón de Higgs (H) y cualquier posible indicio de nueva física, es decir, que no pueda ser explicado por el modelo estándar a través de un análisis riguroso de los datos. Las dimensiones del universo microscópico que este acelerador permitirá explorar son de cerca de 10-18m. En estos momentos, la actividad en los experimentos es frenética, ya que la hora de la verdad se acerca. La comunidad de físicos que se ha comprometido a construir cada detector ha realizado durante muchos años pruebas de viabilidad en las que, partiendo de un diseño original, han acabado perfilando y finalmente construyendo las partes comprometidas en la colaboración. Las preguntas ahora son: ¿funcionará el detector en su globalidad?, la información de cada una de las partes, compuesta por millones de canales, ¿cumplirá los protocolos planificados para que se puedan reconstruir los sucesos?, es más ¿funcionará el protocolo? Cada 22 milisegundos el LEP proporcionará un cruce de haces, pero no todos los cruzamientos originarán una interacción. Es más, la presente tecnología tiene un ancho de banda que, dadas las dimensiones medias que tendrán los acontecimientos, limita su escritura en disco a unos 10 Hz. El sistema de trigger se encarga de utilizar la selección de datos en tiempo real de manera que la frecuencia inicial de cruce, unos 45 KHz, se reduzca a la frecuencia permitida de adquisición de datos. Los requisitos de este sistema están claros, ningún acontecimiento potencialmente interesante se debería perder, aunque el tiempo empleado para tomar las decisiones significa una pérdida de un 5% de cruces. De los sucesos escritos en banda sólo un porcentaje muy pequeño contiene física relevante. El arte de encontrar y extraer estos acontecimientos importantes constituye el análisis de datos. Este proceso depende de la iniciativa individual de los físicos y puede –y de hecho suele– durar unos cuantos años. A pesar de que la tecnología utilizada en los detectores es complicada y normalmente está al límite del conocimiento, el principio de detección es simple y estamos acostumbrados a él en nuestra vida cotidiana más de lo que parece. Por ejemplo, el acelerador Sol, mediante mecanismos todavía no muy bien entendidos en el mundo subatómico, produce fotones, neutrinos, núcleos y muchas otras partículas, algunas de vida muy efímera. En particular los fotones cuando llegan a la Tierra inciden sobre los objetos y después sobre nuestros ojos. Los detectores, ojos, cuando captan los fotones producen una serie de reacciones que nuestro cerebro ha aprendido a procesar y, como resultado, acabamos conociendo la forma y color, entre otras propiedades, de estos objetos. Así, imitando la naturaleza, funcionan los físicos de partículas. Figura 2. A la izquierda, la construcción de un acontecimiento real donde se puede observar el punto de impacto de los haces y el posterior vuelo y desintegración del hadrón B– en K*0 π–. A la derecha, los productos de la desintegración del hadrón se identifican utilizando diversas técnicas. En términos generales los detectores LEP están organizados en capas concéntricas de simetría cilíndrica respecto a los haces del acelerador con los que cubre todo un espacio alrededor del punto de interacción (4 p). Las dimensiones típicas son unos 10 m de altura y unas 3.500 toneladas de peso. Cada capa está especializada en un sistema de detección. Cuando las partículas producidas en la interacción atraviesen las capas lo que de hecho hacen es interaccionar con el medio o material que las compone. Debido a esta interacción y mediante ciertos principios de operación, el proceso acaba convirtiéndose en una señal eléctrica que se registra y que contiene la información que se trasmite y se escribe en el disco. Las dificultades técnicas que se derivan de este proceso se deben a la sofisticación de los principios físicos que se aplican para originar las señales, la amplitud tan pequeña de éstas respecto al ruido normal de operación de la electrónica asociada, además de la gran velocidad y sincronización necesarias para procesar rápidamente millones de canales. De dentro hacia fuera la primera capa se denomina detector de vértice. Este detector está compuesto por detectores semiconductores de silicio de gran precisión, capaces de reconstruir el impacto de una partícula cargada con un error de unos 10 mm. Su misión es reconstruir vértices diferentes al del punto de interacción, donde las partículas, de vidas medias cercanas a 10-12 segundos se desintegran en otras. Estas partículas, aunque tienen una existencia corta, se pueden observar porque viajan a velocidades próximas a la de la luz y por eso acaban recorriendo distancias próximas al milímetro que estos detectores ya pueden reconstruir. La segunda capa se suele denominar detector de trazas, ya que mediante diversas técnicas es capaz de seguir las trayectorias de todas las partículas cargadas con una precisión de cerca de un centenar de micras durante los recorridos de 1 m aproximadamente. Así se consigue reconstruir la trayectoria de las partículas que, como están bajo la acción de un campo magnético próximo al tesla, están curvadas, y gracias a eso, también pueden medir su momento. En la tercera etapa comienza la calorimetría y el primer calorímetro es el electromagnético. Su objetivo es reconstruir las energías de los fotones y electrones que, cuando pierden toda su energía, acaban atrapados. El uso de estos detectores requiere que las capas más internas sean de materiales o medios extremadamente ligeros para no degradar las energías iniciales. La cuarta capa comprende el calorímetro hadrónico y su función principal es la de reconstruir las energías de todas las partículas que llegan, generalmente hadrones. Contrariamente a las primeras capas está formada por materiales muy pesados con la finalidad de absorber y atrapar todas las partículas que lleguen. Sólo los muones tienen un poder de penetración que la supera. La tercera etapa es la que forman las cámaras de muones, a veces también insertadas entre el calorímetro hadrónico. Estas cámaras detectan el paso de cualquier partícula cargada, pero, dado que sólo les llegan muones, sirven para identificarlos en el suceso La estrategia y disposición de estas capas, junto con los materiales y técnicas aplicadas para conseguir los pasos descritos anteriormente, son las que definen cada detector, cuya comunidad de físicos decide dónde poner énfasis o especializarse. En el caso del LEP, cuatro colaboraciones distintas explotan sus resultados. Estas son Aleph, Delphi, L3 y Opal. Todas ellas cumplen el esquema descrito pero con particularidades muy específicas que justifican su construcción. Algunos con técnicas de detección más vanguardistas en la detección de trazas, Aleph y Delphi, o en calorimetría y muones, L3, o más convencionales respecto a técnicas ya más establecidas, Opal, o con un gran poder para identificar partículas, Delphi. El conjunto de las características de los detectores constituye la apuesta de cada colaboración y define el potencial de análisis de cada uno de ellos. En el verano de 1989 el LEP comienza a funcionar y consigue sus primeras colisiones. En el otoño de 1989 se realizan las primeras medidas, con sus centenares de sucesos, de los parámetros del modelo estándar. No aparece ninguna sorpresa en escena. En los años sucesivos y hasta el 2000, contando con millones de sucesos, se profundiza en estos estudios hasta precisiones nunca conseguidas. A principios de los 90 nos encontramos que uno de los protocolos del programa inventados y desarrollados en el CERN, utilizado para comunicarse e intercambiarse información, parece tener buenas utilidades en Internet y su uso comienza a extenderse en la sociedad. Lleva el nombre de web. Mientras tanto el número de neutrinos ligeros se ha establecido finalmente en tres. Las propiedades de los bosones Zº y W± son examinadas con precisiones muy altas. El gluón deja de ser un concepto cualitativo e incierto y su presencia se cuantifica como nunca se había hecho antes. El modelo estándar se ratifica mediante muchos e imaginativos tests que en algunos casos llegan a precisiones de tantos por mil. Se excluye cualquier teoría alternativa al modelo estándar en la región de energías cubierta por el LEP. Se establece la dependencia de las constantes de acoplamiento y masas de las partículas con la escala energética. Se limita la existencia del quark top a un rango de masas de acuerdo con su posterior observación directa en el Tevatrón (Fermilab, Chicago). Ya se puede decir que hay tres generaciones de quarks, si bien no entendemos por qué el tres es tan mágico. Sólo el escurridizo bosón de Higgs, tan importante para entender la generación de masas de partículas y cuya existencia es necesaria para acabar de entender el modelo estándar, parece escapar a la observación. Ahora mismo, los estudios más recientes del LEP parecen localizar el bosón de Higgs sobre los 115 GeV pero el hecho no está totalmente confirmado por todos los detectores y el LEP ya no ha podido aumentar más su energía, que ha forzado hasta los 209 GeV. Su descubrimiento potencial, o el de otras partículas, si no se confirma en el LEP, queda para otra aventura más grande todavía, puede ser el Tevatrón en Fermilab, o tal vez el LHC en el CERN, pero ésta es otra historia. Actualmente el IFIC (Instituto de Física Corpuscular), centro mixto de la Universidad de Valencia y el CSIC, colabora con el detector Delphi del LEP, donde ha construido totalmente los detectores TOF, que miden el tiempo de vuelo de las partículas, y parcialmente el calorímetro electromagnético, llamado FEMC. El IFIC participa también en el diseño y construcción del detector Atlas, uno de los futuros detectores del LHC. Concretamente está involucrado en el detector de trazas de silicio, llamado SCT, y en el calorímetro hadrónico, TILECAL. segundos se desintegran en otras. Estas partículas, aunque tienen una existencia corta, se pueden observar porque viajan a velocidades próximas a la de la luz y por eso acaban recorriendo distancias próximas al milímetro que estos detectores ya pueden reconstruir. María José Costa i Mezquita y Joan A. Fuster i Verdú. IFIC, Centro Mixto CSIC – Universitat de València. |
«Las dimensiones típicas son unos 10 metros de altura y unas 3.500 toneladas de peso»
Figura 3. Acontecimiento simulado de producción de Higgs en el LHC. En este caso, el Higgs se desintegra en dos bosones Z, que así mismo acaban dando dos quarks y un par electrón-positrón. Los quarks cuando se materializan originan hadrones formando dos haces de partículas. Los impactos de estas partículas dados por los detectores de trazas permiten su reconstrucción. La pareja electrón-positrón también deja señal en los detectores de trazas y además su energía se puede medir en el calorímetro electromagnético.
«El escurridizo bosón de Higgs puede permitir entender la generación de masas de partículas» Figura 4. Uno de los módulos del detector de trazas, silicio de Atlas construido en el laboratorio del IFIC. Estos detectores pueden reconstruir el impacto de una partícula cargada con una precisión de unas pocas micras. Las dimensiones de estos módulos son de 6×12 cm2 y en Atlas habrá un total de unos 4.500.
Figura 5. Parte electrónica del módulo. Detalle de la parte de lectura electrónica de los módulos de silicio. Se puede apreciar la conexión de las bandas de los detectores de silicio hasta los canales del chip de lectura, separados unas 70 micras entre ellos.
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