El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad ( HL-LHC ; anteriormente HiLumi Large Hadron Collider ) es una actualización del Gran Colisionador de Hadrones . Fue iniciado por el Programa Marco Europeo 7 como un estudio de diseño en 2010 con el objetivo de impulsar el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física. El estudio de diseño fue aprobado por el Consejo del CERN en 2016 y comenzó como un proyecto completo. El trabajo de actualización está actualmente en progreso y se espera que comience su operación física en 2028 como muy pronto.
Anillos de almacenamiento que se cruzan | CERN , 1971–1984 |
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Colisionador de protones y antiprotones ( SPS ) | CERN , 1981–1991 |
ISABELLE | BNL , cancelado en 1983 |
Tevatron | Fermilab , 1987–2011 |
Super colisionador superconductor | Cancelado en 1993 |
Colisionador de iones pesados relativista | BNL , 2000-presente |
Gran Colisionador de Hadrones | CERN , 2009-presente |
Colisionador circular futuro | Propuesto |
El proyecto HL-LHC producirá colisiones protón-protón a 14 TeV con una luminosidad integrada de 3000 para experimentos ATLAS y CMS , 50 para LHCb y 5para ALICE. En el sector de iones pesados , las luminosidades integradas de 13 y 50 se entregará para colisiones plomo-plomo y protón-plomo, respectivamente. Este aumento en la luminosidad integrada para los principales experimentos del LHC antes mencionados proporcionará una mejor oportunidad de ver procesos raros y mejorar las mediciones estadísticamente marginales. [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Historia
Existen muchas rutas diferentes para actualizar el colisionador . La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) mantiene una colección de diferentes diseños de las regiones de interacción de alta luminosidad . [8] En 2006 se llevó a cabo un taller para establecer cuáles son las opciones más prometedoras. [9]
El aumento de la luminosidad del LHC implica la reducción del tamaño del haz en el punto de colisión y la reducción de la longitud y el espaciamiento de los racimos, o un aumento significativo de la longitud y la población de los racimos. El aumento máximo de luminosidad integrado de las opciones existentes es aproximadamente un factor de 4 más alto que el rendimiento final del LHC, desafortunadamente muy por debajo de la ambición inicial del proyecto de actualización del LHC de un factor de 10. Sin embargo, en el último taller LUMI'06, [9] Se propusieron varias sugerencias que aumentarían la luminosidad máxima del LHC en un factor de 10 más allá del nominal hacia 10 35 cm −2 s −1 .
La tasa de eventos más alta resultante plantea desafíos importantes para los detectores de partículas ubicados en las áreas de colisión. [10]
De 2011 a 2020, el proyecto fue liderado por Lucio Rossi . [11] [12] En 2020, Oliver Brüning asumió el papel principal. [13]
Objetivos de la física
La actualización del HL-LHC que se aplica a casi todos los experimentos principales del LHC tiene una amplia gama de objetivos físicos. Aumentar el número de colisiones a 140 cada vez que los haces de partículas de protones se encuentran en el centro de los detectores ATLAS y CMS, desde el número actual de 30, abrirá una serie de nuevas vías para observar procesos y partículas raras. Los principales objetivos de HL-LHC pertenecen a las siguientes cinco categorías; mediciones mejoradas del Modelo Estándar , búsquedas de física más allá del Modelo Estándar (BSM) , física del sabor de quarks pesados y leptones , estudios de las propiedades del bosón de Higgs y estudios de la materia QCD a alta densidad y temperatura. [14] [7]
Las mediciones del bosón de Higgs y la comprensión de su conexión con la ruptura de la simetría electrodébil sigue siendo el objetivo principal. En el dominio de la física del sabor; LHCb, ATLAS y CMS juntos probarán la unitaridad de la matriz CKM , y ATLAS y CMS medirán las propiedades del quark top , el fermión con la masa más grande conocida y el acoplamiento Yukawa más grande . HL-LHC también se sumará al conocimiento de las funciones de distribución de partones (PDF) midiendo varios procesos del Modelo Estándar con los jets, quarks superiores , fotones y bosones gauge electrodébiles en su estado final. La producción de chorros y fotones en las colisiones de iones pesados forma la base de las sondas de la teoría de perturbaciones QCD , y HL-LHC medirá esto a escalas de energía muy altas. Debido a estas colisiones de alta energía, también existe la posibilidad de que HL-LHC detecte fenómenos BSM como la bariogénesis , materia oscura , respuestas al problema del sabor , masas de neutrinos e información sobre el problema de la PC fuerte . [14] [7] [15] [16]
Las actualizaciones de los inyectores de iones pesados también están en curso y brindarían aún más oportunidades para observar fenómenos muy raros y buscar la física BSM.
Línea de tiempo del proyecto
El proyecto HL-LHC se inició en 2010, y el siguiente ha sido el cronograma hasta 2020, seguido de las etapas futuras tentativas.
2010: HL-LHC se estableció en el CERN como Estudio de Diseño.
2011: Se aprobó e inició el estudio FP7 HL-LHC Design.
2014: Se publicó el primer informe preliminar sobre el estudio de Diseño. [17]
2015: Se puso a disposición el presupuesto y el cronograma junto con el informe de diseño técnico.
2016: Se validaron las piezas de hardware que constan de componentes y modelos.
Entre 2018 y 2020: Se probaron los prototipos y se publicó el informe final de Diseño técnico. [3] También se llevaron a cabo los trabajos de excavación subterránea.
Entre 2019 y 2024: está prevista la construcción y prueba de piezas de hardware.
2021-2023: Se entregarían todas las fijaciones de superficie.
2022-2024: Se instalará la cadena de triplete interno seguido de su prueba de funcionamiento.
2025-2027: Se planea instalar nuevos imanes, cavidades de cangrejo, plantas criogénicas, colimadores, enlaces superconductores, equipos auxiliares y absorbedores. [3]
Si todas las actividades planificadas anteriormente se completan de acuerdo con el cronograma, HL-LHC podría comenzar su operación física en 2028. [4]
Actualizaciones del acelerador
Las siguientes actualizaciones de los sistemas de máquinas forman el núcleo del nuevo HL-LHC.
Imanes cuadrupolo y dipolo: los imanes potentes junto con los enormes anillos son un aspecto necesario de la funcionalidad del LHC. El HL-LHC tendrá imanes cuadrupolos con la fuerza de 12 Tesla en contraposición a los 8 Tesla del LHC. Tales imanes superconductores compuestos de niobio-estaño intermetálico (), el compuesto se instalaría alrededor del detector CMS y ATLAS. Un proyecto conjunto de diez años entre el CERN, el Laboratorio Nacional Brookhaven , Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley conocido como Programa de Investigación del Acelerador del LHC del Departamento de Energía de los Estados Unidos (US-LARP) construyó y probó con éxito estos imanes cuadrupolo de 12 Tesla. [18] [19] [20] [21] Además, para insertar los nuevos colimadores , dos de los imanes dipolo del LHC deberán ser reemplazados por otros más pequeños. Serían más fuertes (11 Tesla) que los imanes dipolo del LHC (8,3 Tesla) y serían más poderosos para doblar las trayectorias del haz. Actualmente, seis dipolos de 11 T y 20 cuadrupolos triples internos se encuentran en fase de producción en el CERN y en EE. UU. [22]
Protección de la máquina y colimadores: los colimadores son responsables de absorber cualquier partícula adicional que se desvíe de la trayectoria original del rayo y pueda dañar potencialmente las máquinas. Las luminosidades más altas están destinadas a generar partículas tan energéticas. El diseño del HL-LHC contiene formas de prevenir daños reemplazando 60 de los 118 colimadores y agregando unos 20 nuevos. Los colimadores mejorados también tendrán una menor interferencia electromagnética con los haces. [23] [24]
Cavidades de cangrejo: La función de las cavidades de cangrejo es inclinar y proyectar las vigas en la dirección requerida. ATLAS y CMS juntos tendrán 16 cavidades de cangrejo; lo que dará impulso transversal a las vigas para aumentar la probabilidad de colisión. [23] [25] [24]
Óptica del haz: el diseño HL-LHC permitirá que la intensidad del haz de protones permanezca constante. En el LHC, la intensidad del haz se reduce continuamente con el tiempo. [23]
Criogenia: La implementación de HL-LHC requeriría plantas criogénicas más grandes, además de refrigeradores más grandes de 1.8 Kelvin, junto con intercambiadores de calor de subenfriamiento. También se desarrollarán nuevos circuitos de refrigeración. La mayoría de estas actualizaciones son para puntos de interacción, P1, P4, P5 y P7. Mientras que P1, P4 y P5 recibirán nuevas plantas criogénicas, P7 contará con nuevos circuitos criogénicos. [23] [24]
Líneas eléctricas superconductoras: Para cumplir con los requisitos del acelerador HL-HLC, las líneas de transmisión de energía superconductora hechas de diboruro de magnesio () se utilizará para transmitir la corriente de aproximadamente 1,00 000 amperios. [23] [24]
Actualizaciones de inyectores
Como parte del HL-LHC, se realizarán cambios significativos en el inyector de protones. Los rayos que llegan al LHC se aceleran previamente siguiendo 4 aceleradores.
- Sincrotrón de protones (PS)
- Sincrotrón de super protones (SPS)
- Aceleradores lineales (Linac)
- Amplificador de sincrotrón de protones (PSB)
Los 4 de estos aceleradores, conocidos en conjunto como Injectors, se actualizarán a través del proyecto LHC Injector Upgrade (LIU) durante el Long Shutdown 2. La LIU es responsable de entregar haces de muy alto brillo a HL-LHC. Los inyectores de protones se actualizarán para producir haces de protones con el doble de luminosidad original y 2,4 veces el brillo.
También se logrará la sustitución de Linear Accelerator 2 por Linear Accelerator 4 (Linac4). El Linac 4 es un acelerador lineal de 160 MeV y ofrecerá haces con el doble de brillo del haz en comparación con sus contrapartes más antiguas.
También se están diseñando mejoras en los inyectores de iones pesados. [6] [4] [24]
Actualizaciones en experimentos
Para manejar el aumento de luminosidad, el número de interacciones de partículas simultáneas y la radiación del entorno HL-LHC, los detectores también se actualizarán.
ATLAS: El calorímetro de argón líquido de ATLAS se actualizará para identificar los electrones y fotones de manera más eficaz. La electrónica de lectura principal del calorímetro también se reemplazaría por completo para permitir que el detector identifique interacciones de partículas raras. Estos cambios están previstos para la tercera parada prolongada (LS3) del LHC. [26] [24] [7]
CMS: CMS llevará a cabo numerosas actualizaciones en su sistema de seguimiento interno, el sistema de activación, el calorímetro y los sistemas de detección de muones durante LS2 y LS3. Estos cambios se basan en las densidades de acumulación esperadas y el aumento de la radiación debido a la mayor luminosidad. También se planean cambios similares en el experimento ATLAS. [24] [7]
ALICE: La actualización aumentará en 20 años la vida útil del calorímetro de baldosas (TileCal), que es un calorímetro hadrónico sensible a partículas cargadas. La tubería de la viga en ALICE también será reemplazada por una con un diámetro más pequeño. El sistema de seguimiento y las [cámaras de proyección de tiempo]] se actualizarán junto con un nuevo detector de activación de interacción más rápida. [24] [7]
LHCb: LHCb recibirá cámaras de vacío centrales de apertura reducida durante LS2. El detector Vertex Locator (VELO), que mide los vértices primarios y desplazados de las partículas de vida corta, se mejorará para cumplir con el aumento de la radiación y las tasas de interacción de las partículas. [24] [7]
FASER-2: El experimento FASER del LHC se someterá a varias actualizaciones y se convertirá en FASER-2 para utilizar plenamente las capacidades de HL-LHC. Tendrá un volumen de desintegración de 10, que es 3 órdenes de magnitud mayor que FASER y aumentará el rango de sensibilidad en 4 órdenes de magnitud. Sondeará el régimen de fotones oscuros, bosones de Higgs oscuros, leptones neutros pesados y acoplamiento de bosones de calibre débil. También tendrá un subdetector FASERnu para observaciones de neutrinos y antineutrinos. [27]
Referencias
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- ^ "Documentos de Snowmass21" . www.snowmass21.org . Consultado el 13 de junio de 2021 .
enlaces externos
- Proyecto HL-LHC: página web del proyecto Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad
- Un artículo de prensa completo sobre el taller de 2006 se puede encontrar en CERN Courier .
- Se puede encontrar un resumen de los posibles parámetros de la máquina en Colección de parámetros de la máquina .
- Nuevas tecnologías para LHC de alta luminosidad
- Proyecto de actualización del inyector LHC