Colisionador de Hadrones

Cadena de aceleradores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC)
Experimentos
ATLAS	Aparato Toroidal del LHC
CMS	Solenoide de Muones Compacto
LHCb	LHC-beauty
ALICE	Gran Colisionador de Iones
TOTEM	Sección de Cruce total, diseminación elástica y disociación por difracción
LHCf	LHC-delantero
Preaceleradores
p y Pb	Acelerador lineal de protones y Plomo
(no marcado)	Lanzador de Protones del Sincrotrón
PS	Sincrotrón de protones
SPS	Supersincrotrón de protones

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −273,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008, y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008. Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008, el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.

A fines de 2009 se volvió a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense. El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC empezó a funcionar a 4 TeV por haz y en febrero de 2013 se paró durante 20 meses para realizar las mejoras necesarias para la operación a la energía máxima de 7 TeV por haz.

Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada «Partícula de Dios». La observación de esta partícula es importante para explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa y es un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad y para determinar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y cuya búsqueda se ha planificado, como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.

Experimentos

Los protones se acelerarán hasta tener una energía de 7 T eV cada uno (siendo el total de energía de la colisión en el sistema centro de masas de ${\sqrt {s}}=$ 14 TeV). Se están construyendo 5 experimentos para el LHC. Dos de ellos, ATLAS y CMS, son grandes detectores de partículas de propósito general. Los otros tres, LHCb, ALICE y TOTEM, son más pequeños y especializados. El LHC también puede emplearse para hacer colisionar iones pesados tales como plomo (la colisión tendrá una energía de 1150 TeV). El 21 de enero de 2013 se puso en marcha el primer experimento del LHC haciendo colisionar iones pesados (plomo) contra protones. La energía de los iones de plomo alcanzó 3,28 TeV (1,58 TeV por nucleón). Las colisiones plomo-protón alcanzaron una energía de 5 TeV por nucleón.

Propósito del LHC

Parte del túnel del LHC situada debajo del LHC P8, cerca del LHCb.

Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes cuestiones:

El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente).
La masa de las partículas y su origen.
El origen de la masa de los bariones.
Número de partículas totales del átomo.
A saber el por qué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con un campo de Higgs).
El 95 % de la masa del universo no está hecha de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura.
La existencia o no de las partículas supersimétricas.
Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir.
Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria.
Recrear las condiciones que provocaron el Big Bang.

El LHC es un proyecto de tamaño inmenso y una enorme tarea de ingeniería. Mientras esté encendido, la energía total almacenada en los imanes es 10 giga julios y en el haz 725 mega julios.

Red de computación

La red de computación (Computing Grid en inglés) del LHC es una red de distribución diseñada por el CERN para manejar la enorme cantidad de datos que serán producidos por el Gran Colisionador de Hadrones. Incorpora tanto enlaces propios de fibra óptica como partes de Internet de alta velocidad.

El flujo de datos provisto desde los detectores se estima aproximadamente en 300 Gb/s, que es filtrado buscando "eventos interesantes", resultando un flujo de 300 Mb/s. El centro de cómputo del CERN, considerado "nivel 0" de la red, ha dedicado una conexión de 10 Gb/s.

El detector CMS del LHC.

Se espera que el proyecto genere 27 terabytes de datos por día, más 10 TB de "resumen". Estos datos son enviados fuera del CERN a once instituciones académicas de Europa, Asia y Norteamérica, que constituyen el "nivel 1" de procesamiento. Otras 150 instituciones constituyen el "nivel 2".

Se espera que el LHC produzca entre 10 a 15 petabytes de datos por año. Para controlar la configuración primaria para las máquinas de la red de ordenadores del LHC se utiliza una distribución científica del sistema operativo Linux llamada Scientific Linux. Esta red se utiliza para recibir y distribuir los datos a los 100 000 CPU de todo el mundo que constituyen los niveles 1 y 2 de procesamiento.

Presupuesto

Tanques de helio.

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de Francos suizos (alrededor de 1700 millones de euros), junto con otros 210 millones de francos (140 millones de euros) destinados a los experimentos. Sin embargo, este coste fue superado en la revisión de 2001 en 480 millones de francos (300 millones de euros) en el acelerador, y 50 millones de francos (30 millones de euros) más en el apartado para experimentos.

Según datos de 2012, el coste anual en almacenamiento de datos y ordenadores es de unos 220 millones de euros, y los gastos de electricidad, 18 millones. El presupuesto total anual del LHC es alrededor de 765 millones.

Alarmas sobre posibles catástrofes

Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho denunciaron ante un tribunal de Hawái al CERN y al Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos, serían capaces de provocar la destrucción de la Tierra. Sin embargo su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece de cualquier respaldo científico que la apoye.

Los procesos catastróficos que denuncian son:

La formación de un agujero negro estable.
La formación de materia extraña supermasiva, tan estable como la materia ordinaria.
La formación de monopolos magnéticos (previstos en la teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protón.
La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.

A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas. La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas".

Resumiendo:

En el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un solo átomo, ya que el 95 % de estos son espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio exterior, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.
El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales similares o peores a los que serán producidos en el LHC.

Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la Tierra a velocidades (y por tanto energías) enormes, incluso varios órdenes de magnitud mayores a las producidas en el LHC.
El Sol, debido a su tamaño, ha recibido 10 000 veces más.
Considerando que todas las estrellas del universo visible reciben un número equivalente, se alcanzan unos 10³¹ experimentos como el LHC y aún no se ha observado ningún evento como el postulado por Wagner y Sancho.

Durante la operación del colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en Brookhaven (EE. UU.) no se ha observado ni un solo strangelet. La producción de strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.

Estos argumentos no impidieron que hubiera revueltas e incluso un suicidio por temor al fin del mundo cuando LHC lanzó su primera partícula el 10 de septiembre del 2008.

Línea de tiempo del colisionador

*Línea de tiempo*
Fecha	Evento
10-09-2008	CERN disparó con éxito los primeros protones en el circuito del túnel por etapas.
19-09-2008	Se produjo amortiguación magnética en alrededor de 100 imanes de flexión en los sectores 3 y 4, causando una pérdida de aproximadamente 6 toneladas de helio líquido.
30-09-2008	Se tenía prevista la primera colisión, pero fue pospuesta por el accidente.
16-10-2008	CERN dio a conocer un análisis preliminar del incidente.
21-10-2008	Inauguración oficial.
05-12-2008	CERN publicó un análisis detallado.
29-10-2009	El LHC reanudó su operación a 3,5 TeV por haz.
20-11-2009	El LHC reinició sus operaciones.
23-11-2009	Los cuatro detectores captan las primeras colisiones a 450 GeV.
30-11-2009	El LHC rompe récord en ser el acelerador de partículas más potente del mundo, creando colisiones a 2.36 TeV (1.18 TeV por haz).
16-12-2009	El LHC es apagado para realizarse en él los ajustes necesarios para que pueda funcionar a 7 TeV.
28-02-2010	El LHC reanuda sus actividades, haciendo circular dos haces de partículas en sentidos contrarios con una energía de 450 GeV por haz.
19-03-2010	El LHC alcanza un nuevo récord haciendo circular los dos haces de protones, cada uno a 3.5 TeV.
30-03-2010	El LHC inicia exitosamente las colisiones de partículas a 7 TeV (3.5 TeV por haz). Se mantendría así hasta finales de 2011, para realizar los ajustes necesarios para ponerlo a funcionar a toda potencia (14 TeV).
18-09-2010	Se cierra junta de miembros del CERN, anunciándose que se pospondrá el experimento a 14 TeV para 2016.
08-11-2010	el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), recreó con gran éxito un "mini Big Bang" provocado por el choque de iones, anunció el Centro Europeo de Física Nuclear (CERN, por siglas en francés).
04-07-2012	El 4 de julio de 2012 se presentaron en el CERN los resultados preliminares de los análisis conjuntos de los datos tomados por el LHC en 2011 y 2012. Los dos principales experimentos del acelerador (ATLAS y CMS) anunciaron la observación de una nueva partícula «compatible con el bosón de Higgs», con una masa de unos 125 GeV/c².
13-09-2012	Tienen lugar por primera vez en el LHC colisiones entre protones e iones de plomo.
13-02-2013	Se para el colisionador durante 20 meses para emprender diversas obras de reparación y mejoras
07-03-2015	Pruebas de inyección para Run 2 envían protones hacia LHCb y ALICE
05-04-2015	Ambos haces circularon en el colisionador. Cuatro días más tarde, se logró un nuevo récord de energía 6,5 TeV por protón.
20-05-2015	Colisionan en el LHC dos haces de protones a una energía récord de 13 TeV.
03-06-2015	Inicio de la entrega de los datos de física después de casi dos años fuera de línea para la re-puesta en marcha.
04-11-2015	Fin de colisiones de protones en el año 2015 , inicio de los preparativos para las colisiones de iones .
25-11-2015	Colisiones de primeros iones en una energía récord de más de 1 PeV ( 10¹⁵ eV )
13-12-2015	Fin de la colisiones de iones de 2015
23-04-2016	Comienza la toma de datos del año 2016
20-06-2016	El LHC alcanza una luminosidad de 1,0 x 10³⁴ cm^-2s^{- 1}, su valor de diseño. Otras mejoras durante el año aumentaron la luminosidad a un 40% por encima del valor de diseño.
29-02-2017	El Gran Colisionador de Hadrones ha despertado, el equipo utilizará la prueba 2017 para probar nuevos ajustes ópticos, lo que proporciona el potencial para una luminosidad aún mayor de 45 fb^{- 1} y más colisiones. Durante las primeras semanas solamente, unos pocos racimos de partículas estarán circulando en el LHC para depurar y validar la máquina. Los racimos aumentarán gradualmente durante las próximas semanas hasta que haya suficientes partículas en la máquina para comenzar las colisiones y comenzar a recopilar datos físicos.
18-04-2017	Nuevos resultados largamente esperados sobre una decadencia particular de mesones B0 producidos en colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones.

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