LHC. Crédito: LHC, CERNLos físicos involucrados en los experimentos del Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider), han convertido una parada inesperada del mismo en su propio beneficio. El largo año que el LHC estuvo fuera de servicio no solo permitió realizar reparaciones, sino también importantes mejoras y adquirir un mayor conocimiento y experiencia en el funcionamiento interno de este nuevo y portentoso instrumento científico y tecnológico.
El 10 de septiembre de 2008 los ojos del mundo estaban puestos sobre el Gran Colisionador de Hadrones en el CERN. Ese día, denominado "Día del Big Bang" por la BBC, los primeros haces de partículas subatómicas giraban alrededor del super-refrigerado acelerador de 27 kilómetros de largo. Trescientos metros debajo de la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra, el LHC ha estado por más de 20 años en etapa de fabricación. Fue diseñado para colisionar partículas a energías lo suficientemente altas como para recrear las condiciones presentes por última vez una fracción de segundo después del Big Bang.
Ese Día del Big Bang todo fue sin problemas. Pero menos de dos semanas más tarde, una conexión entre dos imanes superconductores falló, iniciando una reacción en cadena que dañaría 53 de los 1624 imanes principales del acelerador, siendo necesario todo un año para arreglarlo.
Físicos de los cuatro principales experimentos en el LHC estaban esperando con impaciencia las primeras colisiones, que habrían tenido lugar alrededor de un mes después de las primeros haces. A pesar que las colisiones iniciales fueron de un nivel energético demasiado bajo para revelar nuevos secretos sobre el universo, han proporcionado información vital sobre el funcionamiento interno del LHC, de los increiblemente complejos detectores, únicos en su género.
Pero incluso con el acelerador cerrado, no ha habido tiempo para descansar. Los físicos que no participan en las grandes reparaciones de las colisiones se han ocupado tanto de la mejora de equipos y software, haciendo pequeñas correcciones que originalmente se habían previsto para el primer cierre de invierno del LHC, como de reparaciones de problemas que surgieron durante los años de su construcción.
La mayor parte de este trabajo es rutinario, forma parte del proceso ordinario de encargar un nuevo acelerador, dice James Gillies, director de comunicación para el CERN.
"Es parte del proceso normal", dice. "Cuando realmente forzamos los límites de la tecnología, cosas como estas pueden suceder. Esa es una de las maneras en que se producen los avances tecnológicos".
He aquí una mirada sobre algunos de esos proyectos.
Ese Día del Big Bang todo fue sin problemas. Pero menos de dos semanas más tarde, una conexión entre dos imanes superconductores falló, iniciando una reacción en cadena que dañaría 53 de los 1624 imanes principales del acelerador, siendo necesario todo un año para arreglarlo.
Físicos de los cuatro principales experimentos en el LHC estaban esperando con impaciencia las primeras colisiones, que habrían tenido lugar alrededor de un mes después de las primeros haces. A pesar que las colisiones iniciales fueron de un nivel energético demasiado bajo para revelar nuevos secretos sobre el universo, han proporcionado información vital sobre el funcionamiento interno del LHC, de los increiblemente complejos detectores, únicos en su género.
Pero incluso con el acelerador cerrado, no ha habido tiempo para descansar. Los físicos que no participan en las grandes reparaciones de las colisiones se han ocupado tanto de la mejora de equipos y software, haciendo pequeñas correcciones que originalmente se habían previsto para el primer cierre de invierno del LHC, como de reparaciones de problemas que surgieron durante los años de su construcción.
La mayor parte de este trabajo es rutinario, forma parte del proceso ordinario de encargar un nuevo acelerador, dice James Gillies, director de comunicación para el CERN.
"Es parte del proceso normal", dice. "Cuando realmente forzamos los límites de la tecnología, cosas como estas pueden suceder. Esa es una de las maneras en que se producen los avances tecnológicos".
He aquí una mirada sobre algunos de esos proyectos.
ALICE. Crédito: C. Marcelloni, experimento ATLAS, CERNALICE: Puertas que hacen que la pereza se vea rápida
Los físicos están buscando siempre maneras de mejorar y ampliar sus experiencias, ya sea a través de pequeños cambios en el software o por adición de nuevas series de detectores. El largo año que estuvo parado, dio a los científicos de ALICE -uno de los cuatro grandes experimentos del LHC-, una ventaja sobre la instalación de su nuevo sistema subdetector.
Los subdetectores miden las trayectorias, las energías y los tiempos de llegada de las partículas que pasan a través del detector. Cada subdetector se ajusta a determinado tipo de partículas. Depende de los físicos construir una visión coherente de lo que ocurrió en una colisión, uniendo, como en un complejo y gigantesco rompecabezas, millones de piezas de dicha información.
El sistema subdetector más reciente de ALICE, una contribución conjunta de la colaboración de 13 instituciones ALICE de EE.UU y el CERN, está formado por once calorímetros electromagnéticos de ocho toneladas que absorben y miden la energía de los electrones y fotones, o partículas de luz.
El primer paso en la instalación fue abrir las enormes puertas del imán L3, que había sido reciclado de un experimento anterior en la caverna. Este gigantesco caracol rojo curva los caminos de las partículas cargadas, por ejemplo los electrones, permitiendo a los físicos medir sus velocidades y masas. Abrir las puertas del imán lleva un día completo. Cada puerta tiene 27 metros de altura, 30 pulgadas de espesor y pesa 430 toneladas. Como la fuerza hidráulica impulsa las puertas a un ángulo de 90 grados, se mueve más lentamente, en promedio, que la aguja indicadora de la hora en los relojes.
Con las puertas abiertas, el primer módulo de calorímetro electromagnético se bajó a 45 metros en la caverna, ya encerrado en el cuadro amarillo de su herramienta de instalación. A continuación, los motores internos de las herramientas rotaron el módulo hasta su correcta alineación. "Usted lo desliza sobre raíles, y entonces simplemente lo bloquea en los carriles de modo que no pueda moverse más", explica Werner Riegler, coordinador técnico de ALICE. Una vez que se puso en marcha, el equipo del calorímetro trajo el módulo a la vida, conectándolo con la refrigeración, la electricidad y la fibra transportadora de datos. Cuatro de los módulos se instalarán en el momento que los haces acelerados de partículas estén de vuelta en el LHC; el resto debería ponerse en marcha en 2011.
LHC. Crédito: CERNLHCb: Aquellos lugares a los que es difícil llegar
A lo largo de los seis años de la construcción del experimento LHCb, los trabajadores estaban continuamente edificando, derribando, reubicando y reconstruyendo las escaleras y scaffoldings que permiten a físicos, ingenieros y técnicos llegar a lugares difíciles de acceder. La llegada de los primeros haces del LHC señaló el fin de la construcción; ahora el camino estaba despejado para la instalación de equipos para construir las escaleras, barandillas y plataformas permanentes necesarias para la seguridad y para alcanzar y mantener los miles de intrincadas partes que componen el detector LHCb.
Una serie de válvulas de refrigeración parecía que podía ser alcanzada a partir de una plataforma ubicada arriba. Pero la plataforma estaba tan alejada que "usted necesitaría brazos de un metro" para agarrar las válvulas, dice Rolf Lindner, Coordinador de la Instalación del LHCb, viable para un "jugador de baloncesto de la envergadura de Yao Ming, tal vez, pero no para un físico de partículas de medidas promedio." Lo que es más, cuando los contratistas descubrieron que no podían llegar a las válvulas desde arriba, comenzaron a utilizar los tubos de refrigeración que corrían por debajo de las válvulas como improvisada escalera, lo que no era bueno para el equipo.
El LHCb necesitaba una escalera real, una que no se puede encontrar en una ferretería. Por lo tanto, el equipo del área experimental LHCb diseñó una escalera cubierta con una plataforma. Los contratistas construyeron sus partes de aluminio, un metal inmune a los altos campos magnéticos que se generarán por los poderosos dipolos magnéticos del LHCb. Finalmente las partes se bajaron a la caverna, perforada con algunos agujeros, y se atornillaron en su lugar.
CMS. Crédito: CERNCMS: goteo, goteo, goteo
Para el experimento CMS, las tuberías con fugas fueron un problema. Como Gerd Fetchenhauer de la Universidad RWTH de Aachen en Alemania, dijo, "A veces ves agua en el suelo y piensas, ¿De dónde diablos es que viene esto?"
Perseguir los escapes no es tarea fácil. Los 16 circuitos de refrigeración principales del CMS suministran agua a 3.500 puntos alrededor de la caverna, dice Fetchenhauer. Los charcos en el piso de la caverna pueden haber empezado como goteo en cualquier lugar de los 15 metros del equipo detector más arriba. "La parte difícil es adivinar de dónde vienen y en donde se filtraron a lo largo de su camino", dice Martin Gastal, Administrador del Area Experimental del CMS.
La búsqueda de las fugas es el trabajo de un equipo de plomería privado de la empresa polaca ZEC. El equipo ha estado trabajando en el CMS durante siete años, en primer lugar, colocando 210 kilómetros de cobre y 130 kilómetros de acero inoxidable de tuberías para el gas y la refrigeración, a continuación conectando detectores individuales para sus líneas de plomería, y en la actualidad reparando las fugas en las tuberías que se instalaron antes de las pruebas de presión -las cuales revelan los puntos débiles de las tuberías-, convertidas en obligatorias.
Los plomeros son ayudados por un monitor que mide la salida de agua contra la entrada de flujo. Un problema fácilmente accesible se puede solucionar en pocos minutos con los adhesivos estandar de fontanería y cintas de hilo de cierre. Reparaciones más difíciles pueden tomar dos días. Ese fue el caso de una fuga que surgió durante una prueba de funcionamiento del detector CMS. El CMS está compuesto por 11 rebanadas masivas, cada una con un peso máximo de 2000 toneladas, montadas sobre almohadillas especiales que generan un cojín de aire y les permiten deslizar fácilmente a través del piso.
Cuando el detector está en modo de funcionamiento, las rebanadas son atascadas juntas con unos pocos centímetros entre ellas. Si los trabajadores necesitan tener acceso, las rodajas pueden empujarse hasta apartarlas tres metros.
Esta particular fuga, causada por las vibraciones en los tubos de refrigeración, aparece en lo alto en uno de los cinco cortes interiores. Cuatro rebanadas tuvieron que ser movidas de manera qoe los fontaneros pudieran subir en la cesta de una grúa y aplicar un sello adecuado.
ATLAS. Crédito: C. Marcelloni, experimento ATLAS, CERNATLAS: Practicar sobre los rayos venidos del espacio
En los experimentos que empujan los límites de la tecnología, los problemas son inevitables en los primeros años de funcionamiento. Los físicos del ATLAS aprovecharon la parada para arreglar problemas con los sistemas de calorímetro, subdetectores que absorben partículas y miden sus energías.
Una empresa norteamericana renovó un conjunto de fuentes de alimentación asociados con el calorímetro electromagnético durante el invierno, y los científicos comenzaron a reinstalarlas en la primavera. Mientras tanto, el calorímetro hadrónico, que mide las energías de partículas como los protones, es necesita trabajar en 80 de sus 256 "cajones". Cada cajón contiene los sensores y la electrónica que procesa independientemente los datos del calorímetro. Durante los ensayos, los físicos han observado que algunos de los canales enviaban datos incorrectos o no se disponía de todos los datos; con la reparación total, más del 99 por ciento del subdetector ahora funciona correctamente.
Aún estando las reparaciones en marcha, el sistema subdetector de ATLAS ha estirado sus piernas, con semanas de práctica en la recopilación de datos de partículas de alta energía de rayos cósmicos del espacio exterior, que constantemente bombardean la Tierra, y con experimentos del LHC. "Para la mayoría de estas carreras, hemos trabajado con sólo la mitad del calorímetro electromagnético", dice Martin Aleksa del CERN. "Sin embargo, los fines de semana, tomamos los datos con el sistema completo, y el sistema completo funciona."
Tomar los datos de los rayos cósmicos permite a los sistemas del subdetector sincronizar con los cambios en el software de ATLAS, ajustando los tiempos y la alineación en un subdetector, ambos críticos para medir con precisión las partículas que pasan a través de múltiples sistemas. Finalmente todas las reparaciones fueron completadas y ATLAS opera otra vez completo con todos los grupos de detectores funcionando simultáneamente, chequeando tiempos y alineación uno contra el otro.
Mejoras: Una búsqueda que nunca termina
El inesperado retraso en la puesta en marcha del Gran Colisionador de Hadrones está lejos de ser una bendición disfrazada. Los detectores están plenamente preparados para el momento de las colisiones, y los colaboradores están ávidos por datos para analizarlas en busca de descubrimientos físicos. Ellos aún sentirán hambre, pero saben que un gran acelerador es siempre parte de un trabajo en progreso, en el que esperan seguir manteniendo, construyendo, ajustando y mejorando los detectores del LHC hasta el final de la larga vida útil del colisionador.
Artículo original:
Not a moment to lose at the LHC. Por Kate McAlpine para Symmetry Magazine
Más información en:
- CERN
- El LHC arranca en noviembre a 3,5 TeV. Universo a la vista.
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