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

Todos los años se realiza una parada técnica de unos 3 meses en las instalaciones del Gran Acelerador de Hadrones (el conocido LHC). La parada es en Diciembre (coincidiendo con las vacaciones navideñas) y se alarga generalmente hasta Febrero.

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Cronograma de funcionamiento del LHC hasta 2021.

Durante esas paradas es cuando se puede bajar al túnel y a los Grandes Experimentos allí situados.

Conociendo esta circunstancia, en Septiembre de 2017 empecé a contactar con el CERN para intentar gestionar una visita que nos permitiera ver los lugares que no había visto en mi anterior desplazamiento.

Mis objetivos eran visitar ATLAS (el mayor de los experimentos), ALICE (el más pequeño) y AMS (El experimento de física de partículas que se encuentra en la Estación Espacial Internacional ISS).

Así que, ni corto ni perezoso, escribí a las oficinas de los experimentos para reservar hueco en el calendario de visitas.

Contacté con las personas responsables de la gestión de las agendas y con la oficina general de visitantes (IMPORTANTE: Las visitas generales no incluyen la bajada al Túnel sino que se centran en exposiciones y laboratorios en la superficie).

Una búsqueda en google te ayudará a encontrar los contactos de los que te hablo 🙂

Concatenar las visitas me costó unos cuántos correos. El más difícil fue ALICE ya que debes buscarte tú al guía. Para ello hay que mandar la solicitud a un correo que es atendido por las personas que se ofrecen a acompañarte y claro dependes de que alguien lo lea y le vaya bien. ATLAS y CMS te asignan un guía y no te tienes que preocupar.

Pero como soy muy pesado al final conseguí encadenar las visitas a CMS (yo ya lo había visto pero el resto del grupo de 12 personas que me acompañaba, no), ATLAS, Fábrica de antimateria, Centro de Proceso de Datos y ALICE. A esto se sumaba la visita a la exposición Microcosmos y el Globo de la Ciencia e Innovación.

Consegido
¡ Conseguido !

Dos días intensos de física e ingeniería (y de fondues)

Pero vayamos al grano.

¿Qué (o quién) es ALICE?

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When Sheldon meets Alice.

ALICE es el acrónimo de “A Large Ion Collider Experiment”, es decir, Experimento para Colisiones de grandes iones.

El objetivo y funcionamiento de ALICE es muy diferente al del resto de grandes experimentos del LHC.

Aunque también se emplea durante las colisiones protón-protón la mayor del tiempo de funcionamiento, su principal objetivo es analizar las colisiones entre núcleos atómicos pesados (principalmente de Plomo).

Las colisiones entre núcleos de plomo son 100 veces más energéticas que las de protón-protón. La temperatura en el punto de colisión es 100.000 veces la del centro del Sol.

Son condiciones de temperatura que no se han dado en nuestro universo casi, casi desde los primeros microsegundos del Big Bang (suponiendo que no haya otras civilizaciones extraterrestres, claro, y que hayan sobrevivido a su infancia tecnológica).

ALICE está diseñado para poder recoger la información de la miríada de partículas que se producen en una de estas colisiones.

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Ejemplo de una colisión Plomo-Plomo en ALICE. Como para analizarlo 🙂

Los núcleos de Plomo tienen 82 protones y 122 neutrones (el isótopo fundamental).

La colisión de dos de estos núcleos produce un plasma de quarks y gluones (recuerda que en la visión más simplista un nucleón está compuesto de 3 quarks y gluones).

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Colisión de núcleos de plomo.

Pero ¡ojo!.

No pienses que los quarks y gluones que se originan en una colisión tienen que ver con los constituyentes fundamentales de los núcleos originales.

¿Recuerdas esta fórmula?

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La materia y la energía son intercambiables.

En las partículas que “colisionan” (que interactúan) se convierte la energía disponible un nuevas partículas. No es que se desparramen los constituyentes (quarks y gluones originales) sino que se crean nuevos con el “crédito” energético de la colisión.

A ver cómo te lo explico…

Imagina que dos coches chocan de frente. Uno espera que salgan trozos de coche tras la colisión: ruedas, volantes, gafas, etc.

Eso es física clásica.

Pero en una colisión entre partículas elementales rigen las leyes de la física cuántica. La energía de la colisión está disponible para “crear” nuevas partículas.

Es como si al chocar dos coches pudieran aparecer un piano, un pingüino, una bicicleta y un jugador de fútbol.

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Las colisiones conservan la Energía, por supuesto, y otras leyes como la conservación del momento, etc. Pero no se puede conocer qué es lo que va a salir salvo la probabilidad de que salga unas determinadas partículas u otras.

“¿Y a eso lo consideramos Física?
Sí. Eso, eso, eso es la Cuántica, amigos…”

El Experimento

Para ver los componentes del experimento puedes descargarte el modelo que he realizado en Sketchup. Cada subdetector va en una capa por lo que puedes quitar las capas exteriores para ver el corazón del detector. Además de poder cambiar tu punto de vista para hacerte una idea de cada uno de ellos.

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Modelo 3D de los subdetectores de ALICE.

En este vídeo te puedes hacer una idea de lo que te voy a contar en la entrada.

ALICE, como he comentado antes, es uno de los más pequeños experimentos del LHC. Aún así sus dimensiones son 16 metros de alto por 16 de ancho y 26 metros de longitud. En total 10.000 Toneladas de peso.

Consta de 17 subsistemas

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Subsistemas de ALICE

ALICE reutiliza un solenoide que fue construido en los años 80 para el acelerador anterior, LEP, que se encontraba en el mismo túnel.

El campo magnético generado por el solenoide y que rodea a los detectores tiene la finalidad de curvar la trayectoria de las partículas cargadas de modo que pueda calcularse el momento (masa * velocidad) analizando la trayectoria curvada que siguen las partículas.

Vamos a empezar de dentro (donde se producen las colisiones) a fuera.

ITS. Inner Tracking System.

El primer detector que se encuentran las partículas generadas en la colisión es el ITS (Inner Tracking System).

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ITS: Inner Tracking System.

Este subsistema se encuentra rodeando el “vértice”, punto donde ocurren las colisiones.

Está compuesto de 4 capas de ultra alta resolución. Cuando una partícula cargada atraviesa estos elementos, se guardan las coordenadas espaciales (dos, pues la tercera viene definida por la distancia el eje del detector cilíndrico).

Podemos imaginar estos cilindros compuestos de millones de celdillas independientes de Silicio que están cableadas cada una a un amplificador que detecta la pequeña carga que se genera cuando una partícula ioniza los átomos de la celdilla).

El más cercano al beam (tubo por donde circulan los iones/protones) es el SPD (Silicon Pixel Detector). En el modelo 3D, al interior, de un azul claro..

Este detector debería estar en libro Guinness de los Records, ya que es el detector de partículas con menos masa del mundo.

Además tiene otra característica que lo hace único: Realiza también la función de “Trigger” o Detonante.

Los “Trigger” son el primer nivel de decisión para considerar un evento digno de ser guardado. Dado el número de colisiones por segundo que se producen es materialmente imposible grabar todas. Por ello hay que decidir cuáles, a priori, parecen interesantes. Esas decisiones se programan mediante hardware en algunos elementos que “alertarán” al resto de que debe prestarse atención a los datos.

EL SPD como trigger es capaz de alertar 900 nanosegundos después de una colisión.

Envolviendo a SPD se encuentra SDD (Silicon Drift Detector). Este detector juega un papel fundamental para detectar las partículas que componen el plasma de quarks-gluones originido en las colisiones de los iones de Plomo.

La altísima densidad de partículas hacía necesario una resolución espacial sin precedentes. SU tecnología se desarrollo para este menester.

Y claro, una tecnología de tan alta sensibilidad tenía una derivada. La posible utilización militar. Los componentes de este detector se construyeron en Ucrania y hubo grandes problemas para su exportación ya que la tecnología usada en la lectura de los datos podía aprovecharse con el fin militar.

A veces la gente se pregunta para qué sirve lo invertido en el CERN. La respuesta de para saber cómo es el universo es muy poética. Lo invertido en el CERN es una inversión en tecnología de última generación que podrá ser aprovechada en otros campos, incluido el militar (aunque no nos guste)

Una tercera capa, el subsistema SSD (Silicon Strip Detector) completa el ITS. Esta última capa interior se especializa en partículas de bajo masa/momento.

TPC. Time Projection Chamber.

Es el principal subsistema de ALICE y se encarga de obtener las coordenadas espaciales de las trayectorias de las decenas de  miles de partículas productos de una colisión.

TPC son dos cilindros huecos rellenos de gas (Neón)  separadas por una superficie circular que actúa de electrodo central.

Las partículas cargadas producidas en la colisión  ionizan el gas del interior cuando lo atraviesan. Los electrones de los átomos de gas ionizados se mueven en el sentido del eje del cilindro hacia el exterior debido al gran campo eléctrico que hay en el interior (100.000 voltios).

Para mantener un campo eléctrico altamente simétrico la superficie del electrodo central y de las cámaras  detectores de las bases del cilindro deben ser tan paralelas como sea posible (una precisión de 0,2 mm). Por eso es crítica la geometría del cilindro, electrodos y cámaras.De ahí la importancia del armazón.

En los extremos del cilindro se encuentran las cámaras TPC que recogen las coordenadas donde se depositan los electrones. La tercera coordenada se calcula en función del tiempo que han tardado los electrones en llegar a la superficie.

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TPC. Time Projection Chamber.

El usar NEON como elemento detector tiene un precio y es la necesidad de mantener unas condiciones de temperatura y presión muy estables para que no afecten a la medida de los tiempos de llegada de los electrones a las cámaras. Para obtener una resolución de 10-4 en la velocidad es necesario que la temperatura no varía más allá de 0,1º en todo el volumen del detector.

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Interior del TPC. Existe un campo eléctrico longitudinal en el interior del cilindro de 400 Voltios/cm.

TRD. Transition Radiation Detector.

Son 18 módulos (lo impone la geometría del armazón) que están especializados para distinguir entra partículas ultrarrelativistas (electrones de alto momento [>1Gev/c] y piones).

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Esto no es un pión. Es un pio-lín.

Bromas aparte, un pión es una partícula cargada compuesta de un quark y un antiquark. Poco tiene que ver con los electrones ya que éstos son leptones y los piones son hadrones (sienten la fuerza fuerte). Pero esto lo explican mucho mejor La ciencia de la mula Francis o Cuentos Cuánticos.

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TRD.

TRD conjuntamente con ITS forma parte de los Trigger de nivel 1 que he mencionado anteriormente.

TOF. Time-of-Flight Detector.

Siguiendo el camino que siguen las partículas (hacia el exterior del detector) nos encontramos con un detector de nombre espacial: “Tiempo de vuelo”.

Este detector tiene la misión principal de distinguir entre los distintos tipos de hadrones.

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Está compuesto por una matriz de elementos que miden el tiempo que tardan las partículas en recorrer la distancia desde el punto de colisión (Vertex). Esa información conjuntamente con la del momento permite obtener la masa.

La tecnología usada para esta funcionalidad es la de las cámaras de placas resistivas. Básicamente consisten en dos placas plásticas paralelas de alta resistividad cargadas eléctricamente de modo que se establece un campo eléctrico uniforme entre ellas.

Las partículas originadas en la colisión (o productos posteriores) al atravesar el gas que hay entre las placas, arrancan electrones de los átomos de gas. Estos electrones producen una cascada de nuevos electrones que son recogidos en unas tramas metálicas ubicadas tras los electrodos plásticos.

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Con esta tecnología se obtiene una resolución de 50 picosegundos (10−12 segundos =  ¹/₁ ₀₀₀ ₀₀₀ ₀₀₀ ₀₀₀ segundos. Es decir: muy poco tiempo)

En el carrusel de fotos se puede observar cómo se distribuyen las placas alrededor del punto de colisión.

PHOS. PHOton Spectrometer.

Este calorímetro nos mide la temperatura de la colisión ya que está especializado en la medida de la energía de los fotones que llevan la huella de la radiación térmica de la colisión de los iones.

Es un subdetector que no rodea el punto de colisión ya que solo abarca la parte inferior de ALICE.

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Elementos de PHOS.

Cada módulo se compone de 3584 cristales de PbWO4 (muy similares a los del detector CMS) distribuidos en 56 filas de 64 elementos.

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Cristales de PbWO4 de un elemento de PHOS.

EMCAL. ElectroMagnetic CALorimeter.

Es uno de los últimos elementos construidos para ALICE.

Además de incrementar la cobertura calorimétrica de PHOS, sirve como trigger de selección de eventos para jets hadrónicos, electrones y fotones.

La tecnología utilizada es la de cristales centelleadores.

Captura

Juega un papel fundamental para medir la temperatura del plasma quark-gluon que se origina en las colisiones de iones pesados.

Ese plasma alcanza una temperatura que solo existió en los albores del universo (unas millonésimas de segundo tras el Big Bang): 2.000 bilones de grados (100.000 veces la temperatura del interior del Sol).

Los fotones térmicos escapan del plasma dejando atrás a quarks y gluones que rápidamente sufrirán un proceso de hadronización (recombinación  para formar partículas sin carga de color) y acabarán formando jets de partículas que son las millones de trazas típicas observadas en una colisión en ALICE.

HMPID (High Momentum Particle Identification Detector)

Es el Detector para la identificación de partículas de alto momento.

HMPID

Su funcionamiento se basa en la emisión de radiación Cherenkov por las partículas cuando éstas van a una velocidad superior a la de la luz (ojo, no en el vacío, sino en el medio donde se mueven).

Ya expliqué aquí, a qué se debía dicha emisión de radiación.

Este detector lo forman grandes fotocátodos de láminas Ioduro de Cesio (CsI).

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HMPID está formado por Cristales de Ioduro de Cesio (CsI). Hay justicia en este universo pues CSI utiliza la ciencia para resolver misterios 🙂

HMPID es, probablemente, la mayor cámara Cherenkov del mundo.

Tubular Frame

Vale, lo reconozco. El nombre que le he dado a esta estructura  de acero inoxidable es un homenaje a uno de los discos que escuchaba allá por el B.U.P.

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Tubular Bells. Mike Oldfield en estado puro.

Esta parte del detector no utiliza una tecnología tan sofisticada pero sin ella todo, literalmente, se vendría abajo.

Y es la estructura metálica que “sostiene” todos los elementos del barril cilíndrico.

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El esqueleto de ALICE.

Es una estructura tubular de 9 metros de diámetro de acero inoxidable que soporta las 80  toneladas de los detectores que he descrito anteriormente. ¡Una vez “cargada” la deformación máxima es de 12 milímetros! Diversos sensores (CCD, lasers, etc) monitorizan las tensiones en todo momento para tenerlo en cuenta posteriormente en el análisis de los datos pues, al fin y al cabo, es el sistema de referencia en el que se toman los datos. Podríamos decir que es un espacio-tiempo flexible….

Con este subdetector completamos el viaje de las partículas en la dirección radial.

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Vista transversal de ALICE.

ACORDE (ALICE COsmic Ray DEtector)

ACORDE es el Detector de Rayos Cósmicos de ALICE.

Se compone de un conjunto de centelleadores plásticos que se ubican encima de las tres caras superiores del solenoide.

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Ubicación de ACORDE sobre el solenoide de ALICE.

Esta matriz de detectores funciona como un Trigger de Nivel 0 (Sí. Lo contaré otro día) cuando se correlaciona con los datos de otros de los subdetectores de ALICE.

¿Vamos a tener un detector de muones bajo un macizo de rocas subalpino?…. Pues vamos a aprovecharlo para observar muones originados por los rayos cósmicos. Hay que aprovechar hasta el último céntimo de euro. debieron pensar los gestores del proyecto. y así es como debe ser.

Y pasamos a los detectores axiales

Muon Spectrometer

ALICE no es un detector simétrico (como ATLAS o CMS) sino que la distribución de los detectores es asímetrica como la de LHCb.

En uno de los extremos (en el eje del haz) se encuentra el detector de muones.

De igual modo que para Oscar Wilde era importante llamarse Ernesto, es un signo de distinción ser un muón. Distinción porque los eventos con muones son interesantes (igual que la conversación de Ernesto).

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A la izquierda del solenoide central (en rojo) se encuentra el espectrómetro de muones.

Destaca el dipolo magnético (en azul) de 0,7 Teslas utilizado para curvar la trayectoria de los muones.

¿Y cómo sabemos que son muones lo que llega a esta parte externa del detector?

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Elementos del Espectrómetro de muones,

Porque el resto de partículas generadas en la colisión o por las desintegraciones de dichos partículas han depositado su energía en los calorímetros.

Y si no lo han sido, tienen que atravesar una masa de 40 Toneladas de aleación de Plomo-Acero(Hierro y Carbono)-Tungsteno (tronco de cono de color gris en la imagen) que se encarga de absorber lo poco que llegue en estos ángulos tan cercanos al eje del haz.

Incluso hay una muro de Hierro de 300 Toneladas (gris oscuro en la imagen) antes del último elemento que actúa como trigger selectivo de eventos.

Los muones atraviesan las cámaras (verde en la imagen) que permiten registrar su paso con una precisión del orden 100 μm.

Pero ya está bien de datos y datos…

Os dejo con un vídeo de nuestra visita a ALICE y alguna foto del grupo de “Moonrises Electrodébiles” (Por cierto, que en el CERN se partieron de risa con este nombre que di para nuestra visita ¿Por qué será?)

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Nuestro grupo en la puerta del complejo de entrada a ALICE.
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La sala de control de ALICE es bastante pequeña.

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

El pase de diapositivas requiere JavaScript.

Y para terminar, un especial agradecimiento a Despina, nuestra guía durante la visita a ALICE y Alma Máter de la exhibición multimedia que se puede disfrutar durante la visita.

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Despina, un privilegio contar con sus explicaciones durante la visita a ALICE.

Próximamente: ATLAS, el coloso del LHC y CERN…

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