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Durante las próximas semanas, los científicos utilizarán el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para acelerar partículas subatómicas a velocidades cercanas a la de la luz y colisionarlas entre ellas a energías sin precedentes. El LHC tiene alrededor de veintisiete kilómetros de perímetro, está a más de 90 metros de profundidad, y contiene más de 9000 imanes. Producir colisión de partículas en esta máquina masiva no es una tarea fácil; docenas de científicos e ingenieros deben asegurarse de que cada pieza del equipo en el LHC funcione en perfecta armonía."El chequeo del acelerador es un proceso implacable", explica Jim Strait, del Fermilab (Fermi National Accelerator Laboratory). "Tienes que conseguir que todos los equipos e instrumentos trabajen juntos, todos al mismo tiempo, antes de poder introducir un haz".
Lleva meses completar y probar cada uno de los sistemas en el acelerador. La siguiente lista nos permite alcanzar una visión general del proceso de inicio y verificación del LHC:
Comprobar el hardware del LHC. En el corazón del LHC están sus imanes superconductores, que guían los haces de partículas alrededor del anillo y deben ser enfriados a 1,9 K (-271,3 °C), justo por encima del cero absoluto. Los primeros sistemas probados son aquellos que guardan los imanes ultra-fríos: el sistema de criogenia, que utiliza helio líquido para enfriar el acelerador y el sistema de protección de enfriamienton, que evita que los imanes se sobrecalienten. A continuación, el equipo encargado de la puesta en marcha del hardware lleva a cabo las pruebas magnéticas, de helio, vacío y eléctricas en cada uno de los ocho sectores del LHC.
Enfriar los imanes superconductores. El proceso de enfriamiento del LHC a 1,9 K tarda aproximadamente diez semanas para cada sector del acelerador. Cuando todos los sectores se han enfriado, el LHC es el lugar más frío del planeta.
Prueba de potencia del acelerador. La última tarea del equipo encargado de la puesta en marcha es la comprobación de los circuitos eléctricos de cada sector. Cuando el LHC se ejecute a la energía de diseño, 11.700 amperios de corriente fluirán a través de cada uno de los 1232 imanes dipolares principales de la portentosa máquima.
Asegurarse de que el LHC funciona como un todo. El chequeo de la máquina, que prueba la relación entre los sistemas y los sectores en su conjunto, toma alrededor de seis semanas. Durante este período, el equipo de operaciones usa programas de computadora especializados para examinar la secuencia de todos los sistemas en un sector determinado. La prueba final es una carrera en seco, cuando el haz es simulado a través del acelerador completo.
Comprobar el sistema de evacuación del haz. Una prueba de evacuación del haz asegura que se puede eliminar con seguridad del acelerador. Cuando se desencadenó, el sistema extrajo el haz y lo envió a un gran bloque de grafito, donde su energía es absorbida y distribuida en forma segura.
"La energía de un sector es equivalente a la energía de un avión Boeing de pasajeros a plena carga", señala Knud Dahlerup-Peterson, jefe del equipo de activación de la protección. Y como sucede con la protección por enfriamiento, un sistema eficaz de evacuación del haz protege la máquina de sí misma.
Inyectar haces de uno en uno. Las pruebas de inyección de haces comienzan por la aceleración de un manojode partículas en el PS (Protón Sincrotrón) y el SPS (Super Protón Sincrotrón), dos aceleradores más pequeños que elevan la energía del haz preparándolo para inbresar en el LHC. Cuando el grupo de haces ha llegado a la energía apropiada, es inyectado en el LHC.
El haz se enhebra a través de un sector a la vez, limitado por un punto de parada temporal, de manera que el acelerador y el haz pueden ser monitoreados por etapas. Una vez que todos los sectores han sido probados y el haz ha dado una vuelta completa alrededor del anillo del LHC, circula preventivamente por segunda vez para el caso de que la obstrucción no haya sido detectada. Las pruebas de inyección se ejecutan para cada uno de los dos tubos de haces del LHC por separado. Estas pruebas ayudan a determinar qué tan alta debe ser la energía de los haces para maximizar el potencial científico con respecto de la condición del acelerador.
"El resultado final es la protección de la máquina", explica Mike Lamont, líder de operaciones de la máquina. "Tenemos que ser muy, muy cuidadosos".
Guiar los haces de partículas en colisión. Una vez que ambos haces están en circulación, su energía se multiplica por etapas. En una coreografía elaborada, los racimos son guiados para tener el tamaño correcto, la energía y la distribución adecuada para chocar en los puntos de interacción en el centro de cada uno de los cuatro principales experimentos del LHC.
"Cada haz del LHC está formado por manojos de 100.000 millones de protones. Esto podría ser comparado con un cigarrillo en la longitud, con una anchura correspondiente a un cabello humano ", dice Simon Mathieu White, uno de los científicos que dirige los rayos en colisión. Casi 3.000 de estos pequeños racimos forman un haz del LHC, y garantizar que estos haces colisionen requiere cidadosos ajustes y seguimiento de los 9593 imanes del LHC.
La puesta en marcha del LHC exige la orquestación de miles de instrumentos para crear cientos de millones de colisiones por segundo. Con cada choque, los experimentos del LHC tienen la oportunidad de resolver algunos de los más profundos misterios del universo.
Comprobar el hardware del LHC. En el corazón del LHC están sus imanes superconductores, que guían los haces de partículas alrededor del anillo y deben ser enfriados a 1,9 K (-271,3 °C), justo por encima del cero absoluto. Los primeros sistemas probados son aquellos que guardan los imanes ultra-fríos: el sistema de criogenia, que utiliza helio líquido para enfriar el acelerador y el sistema de protección de enfriamienton, que evita que los imanes se sobrecalienten. A continuación, el equipo encargado de la puesta en marcha del hardware lleva a cabo las pruebas magnéticas, de helio, vacío y eléctricas en cada uno de los ocho sectores del LHC.
Enfriar los imanes superconductores. El proceso de enfriamiento del LHC a 1,9 K tarda aproximadamente diez semanas para cada sector del acelerador. Cuando todos los sectores se han enfriado, el LHC es el lugar más frío del planeta.
Prueba de potencia del acelerador. La última tarea del equipo encargado de la puesta en marcha es la comprobación de los circuitos eléctricos de cada sector. Cuando el LHC se ejecute a la energía de diseño, 11.700 amperios de corriente fluirán a través de cada uno de los 1232 imanes dipolares principales de la portentosa máquima.
Asegurarse de que el LHC funciona como un todo. El chequeo de la máquina, que prueba la relación entre los sistemas y los sectores en su conjunto, toma alrededor de seis semanas. Durante este período, el equipo de operaciones usa programas de computadora especializados para examinar la secuencia de todos los sistemas en un sector determinado. La prueba final es una carrera en seco, cuando el haz es simulado a través del acelerador completo.
Comprobar el sistema de evacuación del haz. Una prueba de evacuación del haz asegura que se puede eliminar con seguridad del acelerador. Cuando se desencadenó, el sistema extrajo el haz y lo envió a un gran bloque de grafito, donde su energía es absorbida y distribuida en forma segura.
"La energía de un sector es equivalente a la energía de un avión Boeing de pasajeros a plena carga", señala Knud Dahlerup-Peterson, jefe del equipo de activación de la protección. Y como sucede con la protección por enfriamiento, un sistema eficaz de evacuación del haz protege la máquina de sí misma.
Inyectar haces de uno en uno. Las pruebas de inyección de haces comienzan por la aceleración de un manojode partículas en el PS (Protón Sincrotrón) y el SPS (Super Protón Sincrotrón), dos aceleradores más pequeños que elevan la energía del haz preparándolo para inbresar en el LHC. Cuando el grupo de haces ha llegado a la energía apropiada, es inyectado en el LHC.
El haz se enhebra a través de un sector a la vez, limitado por un punto de parada temporal, de manera que el acelerador y el haz pueden ser monitoreados por etapas. Una vez que todos los sectores han sido probados y el haz ha dado una vuelta completa alrededor del anillo del LHC, circula preventivamente por segunda vez para el caso de que la obstrucción no haya sido detectada. Las pruebas de inyección se ejecutan para cada uno de los dos tubos de haces del LHC por separado. Estas pruebas ayudan a determinar qué tan alta debe ser la energía de los haces para maximizar el potencial científico con respecto de la condición del acelerador.
"El resultado final es la protección de la máquina", explica Mike Lamont, líder de operaciones de la máquina. "Tenemos que ser muy, muy cuidadosos".
Guiar los haces de partículas en colisión. Una vez que ambos haces están en circulación, su energía se multiplica por etapas. En una coreografía elaborada, los racimos son guiados para tener el tamaño correcto, la energía y la distribución adecuada para chocar en los puntos de interacción en el centro de cada uno de los cuatro principales experimentos del LHC.
"Cada haz del LHC está formado por manojos de 100.000 millones de protones. Esto podría ser comparado con un cigarrillo en la longitud, con una anchura correspondiente a un cabello humano ", dice Simon Mathieu White, uno de los científicos que dirige los rayos en colisión. Casi 3.000 de estos pequeños racimos forman un haz del LHC, y garantizar que estos haces colisionen requiere cidadosos ajustes y seguimiento de los 9593 imanes del LHC.
La puesta en marcha del LHC exige la orquestación de miles de instrumentos para crear cientos de millones de colisiones por segundo. Con cada choque, los experimentos del LHC tienen la oportunidad de resolver algunos de los más profundos misterios del universo.
Traducción libre de:
• Starting up the world’s largest particle accelerator
Información relacionada:
• Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN)
• Operaciones del SPS
• Gran Colisionador de Hadrones /LHC)
Imagen:
• Fotografía: El túnel del LHC, en octubre de 2009. Crédito: CERN.
• Infografía: Aceleradores del CERN. Crédito: CERN.
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