Detectores

Achegándonos ao LHC

Os detectores do LHC foron designados, construídos e levados a cabo por colaboracións internacionais procedentes de todas partes do mundo. Hai catro grandes detectores (ou experimentos): ATLAS, CMS, LHCb e ALICE); e cinco pequenos: TOTEM, LHCf, MoEDAL, FASER and SND@LHC.

Pero a familia de experimentos do LHC sigue a crecer. Xunto aos catro experimentos principais, unha nova xeración de experimentos máis pequenos está contribuindo á procura de partículas preditas por teorías alén do Modelo Estándar. O FORMOSA demonstrator, que busca partículas milicargadas, instalado na caverna que contén o detector FASER, 480 metros máis aló do punto de interacción ATLAS; o MilliQan detector, situado a 33 metros do punto de interacción CMS, e o CODEX-beta demonstrator na caverna LHCb.

Outros experimentos, entre eles os propostos  FASERν 2 e FLArE, están en estudo e poderían empezar a tomar datos cando se poña en marcha o LHC de alta luminosidade en 2029.

Son precisos vinte anos para o deseño e construcción dos grandes detectores, e a duracion dos experimentos será de máis de 20 anos. Isto é equivalente á carreira total dun físico.


Os eventos (un evento é unha colisión con todas as súas partículas resultantes) son estudadas en detectores que son quen de reconstruir o que aconteceu durante as colisións, e todo isto nun entorno elevadísimo de tasa de colisións.  Poden ser comparados con enormes cámaras dixitais tridimensionais que poden tomar 40 millóns de "secuencias"  (dixitalizadas por decenas de millóns de sensores) por segundo.  Os detectores son construidos en capas, tendo cada capa unha determinada funcionalidade. As internas son as menos densas, mentres que as exteriores son as máis densas e compactas. 

As partículas moi masivas que se xeran teñen unha moi corta vida, decaendo noutras máis lixeiras e xa coñecidas. Despois dunha colisión centos de esas partículas lixeiras como electróns, muóns e fotóns, pero tamén protóns, neutróns e outras, voan a través do detector con velocidades próximas á da luz. Os detectores usan esas partículas lixeiras para deducir a breve existencia das novas e pesadas producidas.

As traxectorias das partículas cargadas son curvadas por campos magnéticos, e os raios de curvatura son utilizados para calcular os seus momentos: canto máis alta é a enerxía máis aberta é a curvatura. Por tanto, partículas con moita enerxía cinética presentan unha suficiente traxectoria ao través do detector para ser medido o seu raio de curvatura e por tanto o seu momento. Outras partes do detector son os calorímetros destinados a medir a enerxía das partículas (tanto das cargadas como das non cargadas). Os calorímetros tamén deber ser suficientemente grandes para absorber a máxima enerxía posible. Estas dúas son as razóns de que os detectores do LHC sexan tan grandes. Os detectores rodean o punto de interacción para recoller toda a enerxía das partículas e o balance dos momentos de cada evento para reconstruilo en detalle. Combinando a informacion desde as diferentes capas é posible determinar o tipo de partícula que deixou a súa traza en cada capa. 

As partículas – electróns, protóns e muóns – deixan trazas por ionización. Os electróns son moi lixeiros e por tanto perden a súa enerxía moi rapidamente, mentres que os protóns penetran  máis profundamente no detector. Os fotóns non deixan trazas por si mesmo pero no calorímetro convértense en pares electrón-positrón, cuxas enerxías poden ser medidas. A enerxía dos neutróns pode ser medida indirectamente a partir da transferencia da mesma que fan a protóns. Os muóns son as unicas partículas que alcanzan e son detectadas polas capas máis externas do detector.

Cada parte do detector está conectado a un sistema de lectura electrónica a través de miles de  cables. No instante en que un impulso é creado o sistema  rexistra o lugar e momento exactos enviado a información á computación. Centenares de computadores traballan conxuntamente para combinar esa información. No máis alto da xerarquia computacional decídese nunha fracción de segundo que evento é interesante e cal non. Hai diversos criterios para seleccionar os eventos potencialmente significativos, reducíndose así a cantidadade de eventos dos 600 millons producidos a uns centenares que serán investigados en detalles. 


 


A construcción destes detectores é o resultado do que podería ser chamado "intelixencia de grupo": mentres que todos os científicos participantes nun detector entenden en xeral as funcións do aparato,  ningún coñece con precisión os detalles e a precisa función de todas as partes do detector. En tal colaboración, cada científico e científica contribúe co seu coñecemento no experimento ao éxito total.

Este texto está baseado fundamentalmente en Landua R. (2008)"THE LHC: A LOOK INSIDE". Science in School Issue 10 : Winter 2008, pp 34-45.


 Detectores Live

(Tomado de MELTRONX ©2009-2024. A Real Frisco Kid Production Not Affiliated with CERN)


En cada Longa Parada (LS) os diversos aceleradores, os detectores e outros dispositivos son obxecto de grandes operacións de mantemento, consolidación e mellora. Na imaxe seguinte móstranse algunhas das realizadas nos detectores máis grandes durante o LS2 (2019-2022).

[Imaxe tomada de Gibney E. (2022). Nature Vol 605, 604-607]


 

En  cada unha das seccións dedicadas aos catro detectores máis grandes sinálanse os traballos de mellora máis importantes realizados. 

AUTORES

Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) pola Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembroe de 2015. Estivo vencellado ao Depto de Física de Partículas da USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), e Profesor Contratado Doutor.  Desde 2023 é Profesor Titular de Universidade nese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, foi profesor de Fïsica y Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado nol Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata oseu retiro en 2020. É licenciado en Física, licenciado en Química, e Doutor pola Universidad de Santiago (USC).(ORCID).


CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

Detector FASER

Detector SND@LHC

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


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

···