El Experimento LHCb en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN.

LHCb es uno de los 4 grandes Detectores (Experimentos, según la nomenclatura oficial) que se encuentran en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) del CERN.

Fuimos a visitarlo aprovechando una de las paradas técnicas que se realizan en el LHC para mantenimiento y mejora de parte de los elementos que lo componen.

Habíamos reservado una visita en Diciembre de 2014. La visita no incluía bajar a las denominadas “cavernas” que son los lugares donde se encuentran los grandes Experimentos y que se localizan a unos 100 metros bajo tierra.

Bajo Tierra.jpg

Al finalizar la visita programada el primer día (que contaré otro día) intentamos por todos los medios (dialécticos, claro) que nos permitieran bajar a alguno de los puntos de los experimentos: ATLAS, CMS. ALICE o LHCb.

Por un extraña alineación cósmica, y sobre todo, al buen hacer de Marie (encargada de coordinar las visitas) , Rafal (Encargado de la seguridad en los accesos) y Daniel Domínguez  (nuestro guía dentro en el CERN) que se ofreció a volver con nosotros el día siguiente (sábado), pudimos bajar a la caverna de LHCb, que además es una visita doble pues en la misma caverna se encuentra uno de los viejos experimentos del LEP (Large electro-positron collider) , Delphi.

Pero voy a contaros la visita y de paso aprovecharé para dar unas nociones de los elementos y sistemas que componen LHCb

En primer lugar, veamos la escala de todo esto.

EL LHC es el mayor colisionador de partículas del mundo. Es un acelerador circular de unos 27 kilómetros de longitud y que está a más de 100 metros de profundidad (La profundidad no es constante ya que el terreno en la superficie no es llano).

LHC Tunnel
Ubicación de los experimentos del LHC.
Tunel LHC
El túnel se encuentra a más de 100 metros de profundidad.

El sábado por la mañana quedamos con Daniel en el final de la línea 14 de tranvía (Mayrin-Gravière) de Ginebra. Allí nos encontramos con 3 personas “sospechosas” de frikismo (entre nosotros nos reconocemos). Una de ellas llevaba unas google glasses.

Tras hablar con ellos confirmamos que iban a visitar también el LHCb.

Daniel no tardó en aparecer. Todos juntos cogimos un autobús hasta un centro comercial que se encuentra muy cerca de la entrada a la caverna del LHCb.

Llevo un rato hablando del LHCb y creo que ya es hora de que os lo presente.

LHCb es el más bello de los experimentos del LHC. La “b” es de “beauty” o “belleza”.

La “belleza” es uno de los “sabores” de los quarks. Para saber más de los distintos “sabores” de los quarks puedes leer esto.

LHCb no es un detector de propósito general como ATLAS o CMS. Es un detector especializado en la medida de los parámetros de la violación CP que se observa en los hadrones que incluyen un quark b (bottom o beauty) en su composición .

200

Que traducido viene a decir que LHCb estudia por qué hay más materia que antimateria en el Universo.

Si has llegado hasta aquí sabrás que el Modelo estándar de física de partículas, aún siendo una de las grandes invenciones de la mente humana que con gran éxito nos permite explicar y predecir el comportamiento de los más pequeños componentes de la naturaleza, tiene algunas “lagunas”.

Una de ellas es que no explica por qué si inmediatamente después del Big Bang había igual número de partículas que de antipartículas, en la actualidad solo encontramos partículas (materia).

El logotipo del experimento es una metáfora visual de esto que os comento.

Lhcb-logo-new.svg

Aparece reflejado el anagrama de la parte superior (LHCb) como si fuera un espejo. Las letras Cb mediante esta reflexión (una operación de simetría) se convierten en Cp pero tachada. Vamos que el logotipo nos habla de la simetría CP rota, Es decir la asimetría materia-antimateria.

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En la fachada del Edificio hay un grafitti del propio detector.

La visita comienza en superficie donde hay una exposición relativa al experimento.

P1100460
Daniel nos explica los elementos del detector LHCb.

Si has visto fotos de los grandes detectores (ATLAS y CMS) lo primero que choca es la forma del LHCb.

Maqueta
Subsistemas de LHCb.

ATLAS y CMS son detectores con una simetría cilíndrica alrededor del punto de colisión de los haces. Sin embargo LHCb tiene el punto de colisión en un extremo (a la izquierda en la foto superior).

Desde hace 20 años se había observado que las colisiones de protón-protón generaban una gran cantidad de mesones B (con su antimesón correspondiente). Estos mesones son generados con una mayor probabilidad en la dirección del haz colisionante. De ahí que si lo que queremos es observar este comportamiento no sea eficaz construir el detector perpendicularmente al haz sino que deba concentrarse en un ángulo pequeño visto desde el punto de la colisión,

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En la imagen superior se pone de manifiesto ese hecho. Desde la izquierda donde se produce la colisión aparecen los “productos” desplazándose hacia la derecha y se aprecia que salen en un ángulo muy pequeño. Ojo. Esto ocurre en las colisiones que nos interesan para el propósito del experimento, Habrá miles (millones) de colisiones que “lanzan” partículas en todas direcciones (hacia arriba o hacia abajo del haz colisionante. Pero esas se descartan y por supuesto se registran.

Obviamente habrá colisiones que dejen la traza por el lado izquierdo de a foto, Pero registrarlas supondría tener que duplicar la infraestructura. Así que si solo se construye un lado puedes esperar ver ” el 50% de las colisiones de este tipo. Y sin duda es más barato…

Por ese motivo la forma del experimento es como una pirámide tumbada con el vértice en el punto donde se hacen colisionar los dos haces de protones.

He preparado un modelo 3D con la herramienta de Google Sketchup para que puedas moverte y ver las partes del experimento.

Si lo haces con el navegador utiliza el ratón para cambiar  tu punto de vista. Si lo descargas y lo editas con Sketchup podrás deshabilitar capas y ver el detalle de algunas partes interesantes que pasaré a describir aquí

Diagrama 3D
Link al modelo 3D del detecotr LHCb.

Si no queréis descargaros el modelo 3D aquí os dejo una animación del mismo

Voy a pasar a daros algunas nociones de los elementos que componen el experimento que  fueron explicadas en la visita.

Electroimán

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Imagen del electroimán antes de finalizar el montaje del detector LHCb.

Todo buen detector que se precie necesita un gran electroimán. Y desde luego, el del LHCb es grande…

El campo magnético generado por este electroimán se utiliza para poder medir el momento de las partículas cargadas,

iman
La forma del electroiman recuerda una boca del Parque de los Monstruos de Bomarzo.

El imán consiste en dos bobinas trapezoidales dobladas a 45°  por sus dos extremos (lo que parece una boca) que se ubican dentro de un yugo de hierro como puede apreciarse en la imagen.

Las bobinas son “cables” de aluminio de sección cuadrada de 5 milímetros de lado y cada una pesa 54 toneladas.

El yugo está formado por planchas de hierro y pesa 1500 Toneladas.

Como para no tener un suelo reforzado…

La potencia eléctrica necesaria para generar el campo magnético es de 4.2 MW y es atravesado por una corriente de 5.8 KA.

Vertex Locator Module (VELO)

La joya del detector.

El punto de colisión de los haces de protones se encuentra en el interior de esta parte del detector.

El módulo localizador de vértices suministra medidas muy precisas de las trazas  de las partículas en la  zona de  colisión de los dos haces.

En este subsistema se obtienen dos puntos:

  • Vértice 1: punto donde colisionan los dos protones y por tanto punto donde se generan los mesones B
  • Vértice 2: punto donde se desintegran los mesones B en otras partículas.

Los mesones B “viven” entre esos dos puntos pero no dejan huella en el detector. Su “presencia” se infiere por la separación de los dos vértices.

La precisión en la posición espacial de esos 2 vértices es de 10 micras y el detector toma medidas a una velocidad superior a 40 millones de veces por segundo.

El VELO consiste en 42 sensores de Silicio que se distribuyen linealmente a lo largo del eje del tubo del LHC (observar hueco central en la semicircunferencia del sensor).

VELO
Uno de los 42 elementos que forman el detector del VELO situado en la zona de interacción protón-protón.

Durante el proceso de inyección y estabilización del haz de protones, el VELO se encuentra replegado con el objeto de preservar el sensor. Los dos semicírculos se separan 35 mm del eje por donde circulan los protones. Una vez estabilizado y colimado el haz, las dos partes del VELO se unen para comenzar la adquisición de datos.

El sensor de Silicio (parte semicircular) tiene un grosor de 0.3 milímetros. Cuando una partícula con carga atraviesa el Silicio se generan pares de electrón-hueco (Momento para recordar la teoría de bandas de un semiconductor) que pueden ser medidos por la electrónica de la tarjeta.

Ring Imaging Cerenkov (RICH1 y RICH2)

Estos detectores se usan para identificar la variedad de hadrones originados por la desintegración de los Mesones B.

Recopilatorio de lo que hemos visto:

  1. Dentro del VELO se produce la colisión de los protones.
  2. La colisión de protones genera mesones B (en ocasiones. Pero solo nos interesan éstas) aproximadamente en la dirección del haz.
  3. Los mesones B se desintegran antes de haber podido salir del VELO en piones, kaones e incluso protones.

Los detectores RICH se fundamentan en un efecto bien conocido: El efecto Cerenkov.

La radiación Cerenkov es originada por una partícula cargada cuando su velocidad es superior a la de la luz.

chiquito

Sí. He dicho cuando su velocidad es superior a la de la luz. Pero, ¿no dijo Einstein que no se podía superar la velocidad e la luz?

Eso es en el vacío…

Por lo tanto para que una partícula cargada genere radiación Cerenkov (fotones, o lo que es lo mismo,  luz), tenemos que hacer que atraviese un medio físico en el que la velocidad de la luz sea menor que la famosa c. Y eso se logra con cualquier medio transparente.

La radiación Cerenkov es algo análogo al fenómeno que se produce cuando un avión supera la velocidad del sonido en la atmósfera (¡ojo!, he dicho análogo. El fenómeno físico no tiene nada que ver).

Cherenkov_radiation-animation
Animación Radiación Cerenkov. By H. Seldon – vlastni dilo, own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2557072

La radiación Cerenkov se emite en un cono cuyo ángulo depende de la velocidad de la partícula.

Dentro de cada detector RICH (hay dos) una combinación de espejos (uno esférico y otro plano) permiten llevar los fotones de la radiación Cerenkov hasta unos fotodetectores.

Los fotodetectores son sensibles al rango de 200-600 nm.

RICH1
Detector RICH1.
IMG_8761
Espejo plano a la izquierda (suspendido en el aire) y Fotodetector a la derecha de RICH2.

Todo el conjunto está blindado con una protección magnética de modo que el rango de operación se encuentra por debajo de los 50 miliTeslas. (Recuerda el pedazo de electroimán que tiene al lado).

RICH1 (inmediatamente detrás del VELO) utiliza como medio radiante dos compuestos:

  • Aerogel:  es un sólido con una densidad muy baja y con un índice de refracción de n=1.03. Donde se genera radiación Cerenkov para partículas cargadas en el rango de momentos (2, ~10 Gev/c).
  • C4F10; gas con un índice de refracción n=1.0014. Donde se genera radiación Cerenkov para partículas cargadas en el rango de momentos (10, ~60 Gev/c).

RICH2 (entre los Trazadores TT y el calorímetro HCAL) está diseñado para capturar la radiación Cerenkov de las partículas cargadas de alto momento. (15- >~100 Gev/c). Para ello utiliza un aerogel distinto, CF4.

Existe otra diferencia entre los dos detectores RICH.

Los espejos utilizados en RICH1 se construyen con un polímero de Carbono en lugar de utilizar el vidrio del que están fabricados los de RICH2.

El motivo es que al estar RICH1 inmediatamente tras el VELO (recordad que es la zona de colisión de los protones) las partículas producidas en la colisión atraviesan esos espejos. El polímero de Carbono produce menos dispersión que el vidrio y eso es importante ya que los sensores trazadores, que explicaré inmediatamente, se encuentran después de RICH1.

Mal negocio haríamos si empezamos a dispersar los productos de la colisión antes de medir su trayectoria.

Tracking System (TT, T1-T3)

Hay dos sistemas trazadores, uno dentro del imán (TT) y otro después (T1-T3).

El principal objetivo de este sistema es el poder reconstruir las trayectorias de las partículas y medir el momento de las mismas.

La mitad de los módulos del trazador interior (TT) consta de un único sensor. En la foto se aprecia uno con dos sensores que se encuentra en la exposición.

tracker-1
Módulo del Sistema de tracking

Cada sensor se compone de 4 capas de Silicio que forman un entramado de pistas que se cablean a los elementos de lectura.

El tracker interno (TT) consta de 270.000 electrodos y permite obtener las coordenadas de las partículas con una precisión inferior a 0.05 milímetros.

tracker-2
Detalle del cableado del elemento del Tracket TT.

El tracker externo (T1-T3) utiliza unas cámaras llenas de gas. Las moléculas del gas se ionizan al ser atravesado por las partículas cargadas dejando electrones libres. El sensor es capaz de obtener las coordenadas de las moléculas de gas ionizadas midiendo el tiempo que tardan los electrones liberados en llegar hasta el ánodo en el extremo de la cámara.

Calorímetros (ECAL, HCAL)

Los calorímetros permiten medir la energía y la posición de electrones, fotones y hadrones y permite alimentar a los triggers (ese sí es un tema interesante pero queda fuera de esta entrada) que son los elementos que deciden si un evento es de interés o no para ser almacenado en la GRID (es decir, guardar los datos en un fichero porque recordad que hay millones de eventos por segundo y no hay disco o GRID que soporte tanto dato).

El calorímetro electromagnético (ECAL) se compone de módulos como el de la foto inferior

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Módulo del calorímetro electromagnético (ECAL).

Los módulos de ECAL son como sandwiches de varios pisos. Se alternan capas muy finas de plomo con capas de un material sensible a la luz (centelleador).

Cuando una partícula atraviesa la capa de plomo origina una cascada de otras partículas que son detectadas por las capas de centelleo.

La cantidad de luz emitida es proporcional a la energía de la partícula incidente. La luz generada es recogida por fibras ópticas que la llevan a unos tubos fotomultiplicadores para “contar” los fotones.

Para distinguir si la partícula incidente es un electrón o un fotón, hay unos elementos previos (Sistemas SP/PS) que detectan si la partícula incidente tiene carga o no.

Los protones y neutrones (hadrones) atraviesan ECAL y aunque depositan algo de energía en ese elemento, es necesario un nuevo calorímetro (HCAL) para completar la medida.

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Módulo del calorímetro de hadrones (HCAL).

El calorímetro hadrónico (HCAL) funciona igual que el ECAL pero para los hadrones  Las láminas del sandwich en este caso son de hierro en lugar de plomo. El tamaño de HCAL es mayor que el de ECAL para garantizar que toda la energía de los hadrones es depositada.

De este modo los hadrones no llegan al siguiente módulo que es el

Sistema de muones

Si has visto un esquema del resto de detectores del LHC verás que los sistemas que miden los muones siempre se encuentran en el punto más lejano de donde se producen las colisiones.

LHCb no va a ser una excepción.

El motivo es que los muones son poco “sociales” con la materia “ordinaria”.

El muón es un primo del electrón (es un leptón con la misma carga). Se diferencia en su masa.

La materia ordinaria, la que habitualmente nos rodea está compuesta de tres partículas:

electrones, quarks up y quarks down (y éstos forman los protones y neutrones).

Con esos tres componentes (más los fotones) tenemos el universo ordinario (los neutrinos son aún más antisociales que los muones así que pasamos de ellos).

Pero la naturaleza es caprichosa y nos ha regalado al menos dos familias más.
La segunda familia la componen:

Muones, quarks extraño y quarks encanto.

Las interacciones entre  familias se realizan a través de la fuerza débil. Por eso las interacciones entre muones y los detectores (que  están construidos con componentes de la primera familia) suceden con dificultad.

Eso hace que los muones que se originan en las colisiones o en los productos secundarios atraviesen sin problema los detectores más cercanos a la colisión.

Si algo llega hasta los detectores de muones, serán sin duda muones, pues todo lo demás ya habrá sido absorbido por los calorímetros anteriores.

El sistema de muones se compone de 5 elementos traceadores de partículas cargadas que se alternan con bloques de hierro de 80 cm de grosor.

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Placas trazadoras del Sistema de muones.

Cada una de las cámaras de muones se compone de placas de una matriz de pistas de oro en una atmósfera con una mezcla de gases (CO2, Ar y CF4). Al paso de los muones, el gas se ioniza y los electrones son atraídos por el ánodo.

La superficie total cubierta por estos elementos es de 435 m2

Y tras esta pequeña descripción de cada módulo ya vamos a bajar a la caverna.

Bajando a la caverna

Tras la visita a la exposición descrita anteriormente llegaba el momento de bajar a la caverna. A 150 metros bajo tierra.

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Seguridad ante todo. No hay que olvidarse de coger el casco.
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¡Daniel me dejó la llave que abre la puerta al acceso de la caverna!
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Control de acceso.

El ascensor no parecía muy impresionante.

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Ascensor para bajar a la caverna de LHCb.

De hecho íbamos un poquito apretujados. A la vista de esta imagen ya os imagináis por qué las visitas se hacen en grupos de hasta 12 personas.

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Como podéis ver no había espacio para jugar al ping-pong en el ascensor de bajado a la caverna.
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El pasillo que nos lleva a la caverna…

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El LHCb en toda su gloria
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El grupo madrileño y maño en el túnel del LHC,
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Las mujeres del experimento LHCb. Dando visibilidad a la igualdad.

Y aquí un pequeño resumen visual de la visita.

Para finalizar os dejo esta foto en alta resolución del detector

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Pronto la visita a otra caverna (CMS).

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