El LHC colisiona protones con iones pesados por primera vez

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El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) ha hecho chocar protones con iones de plomo por primera vez. Hasta ahora, el LHC solo había colisionado partículas iguales (protón-protón) por lo que el choque de protones contra núcleos presenta importantes retos técnicos, según ha señalado el Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN).

Según ha señalado el jefe del equipo de iones de plomo del CERN, John Jowett, este proyecto permite "colisiones asimétricas en energía" lo que, según ha indicado "supone un reto para los experimentos". Además, ha apuntado que, a nivel del acelerador, "no hay 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".

El LHC acelera habitualmente dos haces de protones en direcciones opuestas --de 0,45 a 4 teraelectronvoltios (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, pero también 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. "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".

Hay otros retos. El LHC acelera habitualmente dos haces de protones en direcciones opuestas (de 0,45 teraelectronvoltios o TeV 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, pero también 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 solo 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 (EE.UU.), se producen también colisiones entre iones pesados (en este caso núcleos de oro) pero según Salgado 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.

"Es la primera vez que se producen colisiones entre protones y núcleos pesados", explica Salgado. Anteriormente se han colisionado protones contra núcleos fijos, no en movimiento. Tras la prueba realizada con éxito hoy, el ciclo principal de funcionamiento con este tipo de colisiones se efectuará de enero a febrero de 2013, en el que serán las últimas colisiones del LHC antes del apagón del acelerador para su mantenimiento.

De acuerdo con Salgado, este tipo de colisiones tiene dos utilidades fundamentales: 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.

 

Etiquetas: física

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