¿Qué es el Gran Colisionador de Hadrones y qué hace?

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, en las afueras de Ginebra, Suiza. Se utiliza para la investigación internacional de física de altas energías. (Punto de posicionamiento global: 46 grados 14 minutos 00 segundos de latitud norte, 6 grados 03 minutos 00 segundos de longitud este 46.233333333333; 6.05) El LHC se construyó y comenzó a funcionar oficialmente a las 15:30 pm del 10 de septiembre de 2008, hora de Beijing, convirtiéndose en la instalación de acelerador de partículas más grande del mundo. Pero el 19 de septiembre de 2008 se produjo una grave fuga en el helio líquido utilizado para enfriar los imanes superconductores entre la tercera y cuarta etapa del LHC, lo que provocó que el colisionador suspendiera su funcionamiento. El LHC es un proyecto de cooperación internacional, financiado y construido conjuntamente por universidades y laboratorios pertenecientes a más de 2.000 físicos en 34 países.

El LHC consiste en un túnel circular con una circunferencia de 27 kilómetros, situado entre 50 y 150 metros bajo tierra debido a la topografía local. Se trata de una reutilización de un túnel utilizado anteriormente por el Gran Acelerador de Positrones y Electrones (LEP). El túnel en sí tiene tres metros de diámetro, está situado en el mismo plano y atraviesa la frontera entre Suiza y Francia, aunque la mayor parte se encuentra en Francia. Aunque el túnel en sí está ubicado bajo tierra, hay muchas instalaciones sobre el suelo, como compresores de enfriamiento, equipos de ventilación, equipos de control de motores y tanques de congelación, etc., construidos en él.

En el canal del acelerador se colocan principalmente dos tubos de haz de protones. El tubo acelerador está rodeado de imanes superconductores y enfriado por helio líquido. Los protones del tubo orbitan todo el anillo del acelerador en direcciones opuestas. Además, cerca de los cuatro puntos de colisión experimentales se instalan otros imanes de desviación y de enfoque.

Los protones de los dos tubos aceleradores de colisión tienen cada uno una energía de 7 TeV (teraelectrón voltios), y la energía total del impacto alcanza un espectro de 14 TeV. Cada protón tarda 89 microsegundos en orbitar todo el anillo de almacenamiento. Debido a las características del sincrotrón, las partículas en el tubo de aceleración se encuentran en forma de grupos de partículas (racimos) en lugar de un flujo continuo de partículas. Todo el anillo de almacenamiento tendrá 2.800 grupos de partículas y el período de colisión más corto será de 25 nanosegundos. En la etapa inicial de funcionamiento del acelerador, funcionará colocando menos grupos de partículas en órbita, con un período de colisión de 75 nanosegundos, y luego lo aumentará gradualmente hasta el objetivo de diseño.

Antes de que las partículas entren en el anillo acelerador principal, primero pasarán por una serie de instalaciones de aceleración para aumentar gradualmente su energía. Entre ellos, el sincrotrón de protones (PS), compuesto por dos aceleradores lineales, generará una energía de 50 MeV, y luego el propulsor de sincrotrón de protones (PSB) aumentará la energía a 1,4 GeV. El sincrotrón de protones puede alcanzar una energía de 26 GeV. El anillo de incidencia de baja energía (LEIR) es un dispositivo de almacenamiento y enfriamiento de iones. El desacelerador de antimateria (AD) puede desacelerar antiprotones de 3,57 GeV a 2 GeV. Finalmente, el Super Sincrotrón de Protones (SPS) puede aumentar la energía de los protones hasta 450 GeV.

Más de 60 científicos chinos (casi 40 de ellos taiwaneses) participaron en el experimento del Colisionador de Hadrones.

En los cuatro puntos de colisión del anillo de aceleración del LHC, hay cinco detectores en las criptas de los puntos de colisión. Entre ellos, ATLAS y Compact Muon Coil (CMS) son detectores de partículas universales. Los otros tres (el detector de quarks inferior del LHC (LHCb), el gran colisionador de iones (ALICE) y el detector de dispersión elástica de sección total (TOTEM) son detectores de objetivos especiales más pequeños.

El LHC también se puede utilizar para acelerar la colisión de iones pesados, por ejemplo, los iones de plomo (Pb) se pueden acelerar a 1150 TeV.

Dado que el LHC plantea desafíos técnicos y de ingeniería extremos, garantizar la seguridad es extremadamente importante. La energía total en los imanes es de hasta 10 mil millones de julios (GJ), y la energía total en el haz de partículas es de hasta 725 millones de julios (MJ).

Sólo se necesitan 10,7 energías totales de partículas para sacar un imán superconductor del estado superconductor, y descartar todas las partículas aceleradas equivale a una pequeña explosión. Los físicos esperan que el acelerador colisionador les ayude a responder las siguientes preguntas:

¿Es real el mecanismo de Higgs que causa la masa de las partículas elementales populares en el modelo estándar?

Si este es el caso, ¿cuántos tipos de partículas de Higgs existen y cuáles son sus masas?

¿Seguirá siendo válido el modelo estándar cuando las masas de los bariones se midan con mayor precisión?

¿Las partículas tienen correspondientes partículas supersimétricas (SUSY)?

¿Por qué la materia y la antimateria son asimétricas?

¿Existen espacios de dimensiones superiores (teoría de Kaluza-Klein, extradimensiones)?

¿Podemos ver el fenómeno que inspiró la teoría de cuerdas?

El universo tiene una masa del 96% que actualmente es inobservable en astronomía. ¿Cuáles son estas?

¿Por qué la gravedad es en tantos órdenes de magnitud peor que las otras tres fuerzas básicas (fuerza electromagnética, fuerza fuerte, fuerza débil)?

Colisionador de iones pesados

Aunque el plan de experimentos de física del LHC se centra en estudiar los fenómenos tras la colisión de protones. Sin embargo, también están previstas colisiones de iones pesados ​​a corto plazo, como una vez al año. Aunque también son factibles otros experimentos de colisión de iones más ligeros, el plan principal actual son experimentos de colisión de iones de plomo.