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Acercándonos al LHC

 

 
 
 
 

 

 "Si hay una cosa que hacer es comprometerse con la educación".

George Charpak (Premio Nobel en Física en 1992).


 

El Large Hadron Collider (Gran Colisionador de Hadrones) es el acelerador de partículas más poderoso del mundo. El LHC (situado en el noroeste de la ciudad suiza de Ginebra, sobre la frontera Franco–Suiza) genera la mayor cantidad de información nunca antes producida en anterior experimento. Su objetivo es revelar alguno de los secretos fundamentales de la naturaleza que quedan por descubrir.

A pesar de la enorme cantidad de datos que podemos encontrar sobre este acelerador y sus experimentos, no es sencillo para los no especialistas conocer de donde proceden esos datos y su significado. 

Basicamente, el propósito de este sitio web es esencialmente divulgativo, ayudando a introducir este experimento al público en general, y al alumnado y profesorado de enseñanza secundaria en particular. Una buena cantidad de cálculos son presentados para ser llevados a clase de secundaria, estimulando la curiosidad de los estudiantes, ayudándoles así a comprender mejor algunos conceptos de Física. Se pretende que sean un ejemplo de la relación entre las "frías" ecuaciones de la Física y el excitante mundo de la investigación científica.


Energía        

En 2012 los protóns estuvieron girando con una energía de 4 TeV por protón. En 2013, después de un tiempo con colisiones con núcleos de Pb, entró en parada técnica de alrededor de 20 meses, para reiniciar a principios de 2015 las colisiones con una energía de 6,5 TeV por protón. Después de la Larga Parada (Long Shutdown 2, LS2) de 2019-2022, comienza la tercera fase experimental, Run 3, con la máxima energía hasta ahora alcanzada - 6,8 TeV por proton (13,6 TeV en colisión, muy cerca ya de la energía máxima de diseño inicial, 14 TeV).


Año 2022, comienza el LHC Run 3  después de un vasto programa de trabajos completados durante el Long Shutdown 2 (LS2). Los protones colisionan a más alta energía (13.6 comparado con 13 TeV en Run 2) y con más luminosidad (conteniendo hasta 1.8 × 1011 protones por bunch, comparado con 1.3–1.4 × 1011) que durante Run 2. Esta tercera fase experimental, Run 3, se extiende hasta finales de 2025.


El calendario actural prevé el comienzo del Long Shutdown 3 en 2026, un año más tarde que lo que estaba previsto, y durará tres años en lugar de 2.5 años (taken from CERN Courier)


Bosón de Higgs        

En cualquier caso, uno de sus principales objetivosencontrar el bosón de Higgs, fue ya alcanzado en la fase inicial de operación.

El Premio Nobel de Física 2013 fue concedido a François Englert y Peter W. Higgs "por el descubrimento teórico de los mecanismo que contribuyen a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas, y que ha sido recientemente confirmado a partir del hallazgo de la partícula fundamental asociada, en los experimentos ATLAS CMS del Large Hadron Collider del CERN."

ATLAS CMS anunciaron el descubrimiento de esa partícula el  4 de Julio de 2012. Este resultado fue reconfirmado posteriormente en 2013.

Candidato Higgs desintegrándose en cuatro muones registrado por ATLAS en 2012 (Imagen: ATLAS/CERN).

Artículos de interés sobre el Bosón de Higgs en el décimo aniversario de su descrubrimiento,  son los siguientes:

 


Precisamente en el décimo aniversario del descubrimiento do Bosón de Higgs es un buen momento para señalar que la investigación en Física de Partículas es tan necesaria como lo ha sido siempre. En este sentido es muy recomendable el siguiente artículo de la revista Nature

Particle physics isn’t going to die — even if the LHC finds no new particles

Nature. 2022 Jul;607(7917):7-8. doi: 10.1038/d41586-022-01819-4.

 


Otro importante logro procede de LHCb Collaboration, Marzo 2021, apuntando a una potencial Violación del "sabor" universal Leptón.

Esta cuestión no está cerrada pues se trata de un análisis experimental muy complejo y que necesita más pruebas definitivas al respecto.

La interacción débil, tal como se describe en el Modelo Estándar (SM), actúa de forma simétrica para todos los leptones. Esto quiere decir que decaimientos que impliquen por ejemplo muones o electrones deben presentar iguales probabilidades (con pequeñas correcciones debidas a las diferentes masas de esos leptones). Un ejemplo de tales decaimientos son B+→ (K+μ+μ-) y B+→ (K+e+e-), en los que un mesón B decae en un par de leptones, acompañados por un mesón K. Siguiendo el Modelo Estándar, si se mide la probabilidad de ambos procesos deberíamos obtener teóricamente una relación (RK) de esas probabilidades muy cercanas a 1. Sin embargo, LHCb habría encontrado (según se ha anunciado en marzo de 2021) un valor de 0.846+0.044-0.041  (por tanto, 0.80<RK<0.89). Esto querría decir que el proceso de decaimiento a electrones es ligeramente más probable que a muones. El resultado implicaría una desviación con respecto al SM con una significancia estadística de ~3 desviación estándar, lo que no es suficiente para presentarlo como un "descubrimiento", pero proporcionaría "evidencias" de que el SM podría ser erróneo cuando describe el comportamiento de los leptones en la naturaleza.


Otro asunto muy importante de investigación, en el que el LHC debe desempeñar un papel importante, es la medida del valor del momento magnético del muón. En este campo tenemos que citar el Muon g-2 Experiment (Fermilab), que mide el momento magnético del muón a partir de sus interacciones cuánticas con el vacío cuando atraviesa un campo magnético (téngase en cuenta que el vacío está “lleno” de partículas virtuales). Este experimento anunció en 2021 sus resultados que evidencian una divergencia demasiado grande con la predicción teórica según el Modelo Estándar. El nivel de fiabilidad alcanzado es de 4,2 sigma (indicios de nueva física) con alrededor del 6% de todos los datos que se pueden utilizar, por lo que en pocos años se podrían obtener los 5 sigmas (descubrimiento).

 

Tomado de Fermilab-Twitter

Ver más aquí o aquí.


Nuevos hadrones. Con los datos obtenidos en las fases Run 1 y Run2 se han descubierto más de medio centenar de  hadrones (hasta julio de 2022 se han anunciado 66 nuevos hadrones. (Ver más en Patrick Koppenburg-Website)

La mayoría de ellos han sido descubierto en el experimento LHCb.

El 5 julio de 2022 se anunciaron cuatro nuevos descubrimientos:

 


Más informaciones importantes: 

6 Julio 2017en la EPS Conference on High Energy Physics en Venecia, el LHCb experiment comunica la observación de Ξcc++(Xicc++), una nueva partícula que contiene dos quarks charm y un quark up. Durante muchos años los físicos han estado detrás de su descubrimiento, quedando ahora completamente detectada. Su masa es de 3621 MeV.

12 Octubre 2017, durante ocho horas, el LHC estuvo acelerando y colisionando núcleos de Xenon, permitiendo a los detectores ATLAS, ALICE, CMS and LHCb, registrar colisiones de xenon por primeira vez.

En Marzo de 2018, en la 53ª Anual Rencontres de Moriond (del 10 al 24 Marzo de 2018) celebrada en La Thuile en el Valle de Aosta Valley (Italia), ATLAS y CMS presentaron un conjunto de nuevas medidas de las propiedades de boson escalar asociado con el Brout-Englert-Higgs field. Estos resultados proceden del examen de los datos de las colisiones protón-protón a una energía de 13 TeV durante los años 2015 y 2016. Estos datos tomados en ATLAS e CMS provienen de alrededor de dos millones de bosones de Higgs, de los cuales alrededor de 10000 fueron fácilmente accesibles desde los detectores.

25 Julio 2018, por primera vez los operadores del LHC inyectaron "atomos" formados por un núcleo de Pb y un electrón. Se trata del primer paso de comprobación de una nueva idea llamada Factoría Gamma, dentro del proyecto "CERN’s Physics Beyond Colliders".

En Marzo de 2019 (Rencontres de Moriond), la colaboración LHCb presentó sus resultados sobre la “Violación CP” encontrada en el mesón D0 (este mesón está formado por un quark c y un antiquark u). Para observar este fenómenos los investigadores de esta colaboración han utilizado los datos producidos en el detector LHCb desde 2011 a 2018. La violación CP es una característica esencial del universo para comprender la asimetría materia-antimateria existente. Hasta ahora, este fenómeno solo se había encontrado en partículas que estuvieran formadas por quarks strange (s) o bottom (b).

En Enero de 2022, LHCb Collaboration anunció  la medida de la masa del W bosón W. Esta medida fue realizada usando datos de colisiones protón-protón con s = 13 TeV correspondientes a una luminosidad integrada de 1.7 fb1 ,  con datos de 2016 del LHCb Experiment. La masa del bosón W determinada fue:

mw = 80354 ± 23stat± 10exp± 17theory ± 9PDF MeV/c2.

donde las incertezas corresponden a contribuciones de fuentes estadísticas, sistemáticas experimentales, teóricas y funciones de distribución de partones. La medición concuerda bien con la predicción del ajuste electrodébil global y con las mediciones anteriores.

No obstante, el Collider Detector at Fermilab (CDF) Collaboration anunció en abril de 2022 una medida precisa de la masa del bosón W a partir de datos del Tevatron, y, sorprendentemente, los investigadores encontraron una valor significativamente más alto: 80433.5 ± 9.4 MeV/c2. Este resultado se desvía de la predicción terórica del Modelo Estándar, pero es un resultado experimental que debe ser validado por futuros experimentos, como es el caso del LHC.

Masa del bosón W

Imagen tomada de Gibney E. (2022). “HOW THE REVAMPED LARGE HADRON COLLIDER WILL HUNT FOR NEW PHYSICS".

Nature, 2022 May; 605(7911):604-607]



... y para saber sobre lo que se está preparando para el futuro ver HL-LHC: High Luminosity LHC y también The Future Circular Collider




CERN Council nombrou a Fabiola Gianotti para su segundo mandato como Directora General del CERN.

En su Sesión 195 el CERN Council (Nov 2019) nombró a Fabiola Gianotti, como Directora General de la Organización, para un segundo mandato. Este nuevo nombramiento va del 1 de enero de 2021 a diciembre de 2025. Esta es la primera vez en la historia del CERN que la Dirección General ha sido prorrogada para un segundo mandato completo.



NOTAS IMPORTANTES           

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para cada Sección está indicada en la Sección de Referencias

Los cálculos que aparecen en este sitio web están adaptados al nivel de secundaria, y en la mayoría de los casos, aunque puedan resultar útiles, son simples aproximaciones a los resultados correctos.

Además de las diferentes Secciones de este sitio, creemos de interés visitar otros sitios web para tener una idea más general de la Física de Partículas. Por ejemploLa aventura de las Partículas, u otros sitios que se indican en la sección Educación.

Algunos de los datos e informaciones, así como imágenes, has sido tomados de los diferentes websites del CERN, habiendo sido solicitado y concedido el correspondente permiso para ello por la administración del CERN. El uso que se hace en este Sitio Web de los diferentes materiales procedentes de las publicaciones producidas por el CERN sigue estrictamente los términos de uso que a este respecto indica el CERN.

El resto de las imágenes, gráficas, etc., no hechas por nosotros, han sido tomadas como de "fair use". Si no es el caso, por favor, hágannolo saber para retirarlas de inmediato.

Un Glosario con término de Física de Partículas, en orde alfabético, está incluído en la última sección. 


 

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España), hasta su retiro en 2020. Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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NOTA IMPORTANTE

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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