Gran colisionador de electrones y positrones

El Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) fue uno de los mayores aceleradores de partículas jamás construidos. Fue construido en el CERN, un centro multinacional de investigación en física nuclear y de partículas cerca de Ginebra, Suiza.

LEP chocó electrones con positrones a energías que alcanzaron los 209 GeV. Se trataba de un colisionador circular con una circunferencia de 27 kilómetros construido en un túnel a unos 100 metros (300 pies) bajo tierra y que atravesaba Suiza y Francia. LEP se utilizó desde 1989 hasta 2000. Alrededor de 2001 fue desmantelado para dar paso al Gran Colisionador de Hadrones, que reutilizó el túnel LEP. Hasta la fecha, LEP es el acelerador de leptones más potente jamás construido.

Fondo del colisionador

LEP era un colisionador de leptones circular, el más potente jamás construido. Por contexto, los colisionadores modernos generalmente se pueden clasificar según su forma (circular o lineal) y los tipos de partículas que aceleran y colisionan (leptones o hadrones). Los leptones son partículas puntuales y relativamente ligeras. Como son partículas puntuales, sus colisiones son limpias y susceptibles de mediciones precisas; sin embargo, al ser ligeras, las colisiones no pueden alcanzar la misma energía que se puede lograr con partículas más pesadas. Los hadrones son partículas compuestas (compuestas por quarks) y son relativamente pesadas; los protones, por ejemplo, tienen una masa 2000 veces mayor que la de los electrones. Debido a su mayor masa, pueden acelerarse a energías mucho más altas, lo cual es la clave para observar directamente nuevas partículas o interacciones que no predicen las teorías actualmente aceptadas. Sin embargo, las colisiones de hadrones son muy complicadas (a menudo hay muchas pistas no relacionadas, por ejemplo, y no es sencillo determinar la energía de las colisiones) y, por lo tanto, son más difíciles de analizar y menos susceptibles de mediciones de precisión.

La forma del colisionador también es importante. Los colisionadores de física de alta energía recolectan partículas en grupos y luego los colisionan entre sí. Sin embargo, sólo una fracción muy pequeña de las partículas de cada grupo choca realmente. En los colisionadores circulares, estos grupos viajan alrededor de una forma aproximadamente circular en direcciones opuestas y, por lo tanto, pueden colisionar una y otra vez. Esto permite una alta tasa de colisiones y facilita la recopilación de una gran cantidad de datos, lo cual es importante para mediciones de precisión o para observar desintegraciones muy raras. Sin embargo, la energía de los racimos es limitada debido a las pérdidas por radiación de sincrotrón. En los colisionadores lineales, las partículas se mueven en línea recta y, por tanto, no sufren radiación de sincrotrón, pero los grupos no se pueden reutilizar y, por tanto, resulta más complicado recopilar grandes cantidades de datos.

Como colisionador circular de leptones, LEP era muy adecuado para mediciones de precisión de la interacción electrodébil en energías que antes no eran alcanzables.

Historia

La construcción de la LEP fue una tarea importante. Entre 1983 y 1988, fue el proyecto de ingeniería civil más grande de Europa.

Cuando el colisionador LEP comenzó a funcionar en agosto de 1989, aceleró los electrones y positrones hasta una energía total de 45 GeV cada uno para permitir la producción del bosón Z, que tiene una masa de 91 GeV. El acelerador se actualizó posteriormente para permitir la producción de un par de bosones W, cada uno con una masa de 80 GeV. La energía del colisionador LEP finalmente alcanzó un máximo de 209 GeV a finales de 2000. Con un factor de Lorentz (= energía de partícula/masa en reposo = [104,5 GeV/0,511 MeV]) de más de 200.000, LEP todavía mantiene el récord de velocidad del acelerador de partículas, extremadamente cerca de la velocidad limitante de la luz. A finales de 2000, el LEP fue cerrado y luego desmantelado para dejar espacio en el túnel para la construcción del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Operación

LEP fue alimentado con electrones y positrones entregados por el complejo acelerador del CERN. Las partículas fueron generadas y aceleradas inicialmente por el preinyector LEP, y luego aceleradas hasta casi la velocidad de la luz por el sincrotrón de protones y el sincrotrón de superprotones. Desde allí, fueron inyectados en el anillo de la LEP.

Como en todos los colisionadores de anillos, el anillo del LEP constaba de muchos imanes que forzaban a las partículas cargadas a seguir una trayectoria circular (para que permanecieran dentro del anillo), aceleradores de RF que aceleraban las partículas con ondas de radiofrecuencia, y cuadrupolos que enfocaban el haz de partículas (es decir, mantenían las partículas juntas). La función de los aceleradores era aumentar la cantidad de partículas. energías para que se puedan crear partículas pesadas cuando las partículas chocan. Cuando las partículas se aceleraron a la máxima energía (y se concentraron en los llamados haces), se hizo que un electrón y un positrón chocaran entre sí en uno de los puntos de colisión del detector. Cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan convirtiéndose en una partícula virtual, ya sea un fotón o un bosón Z. La partícula virtual se desintegra casi inmediatamente en otras partículas elementales, que luego son detectadas por enormes detectores de partículas.

Detectores

El Gran Colisionador de Electrones y Positrones tenía cuatro detectores, construidos alrededor de los cuatro puntos de colisión dentro de pasillos subterráneos. Cada uno tenía el tamaño de una casa pequeña y era capaz de registrar las partículas por su energía, momento y carga, permitiendo así a los físicos inferir la reacción de las partículas que había ocurrido y las partículas elementales involucradas. Al realizar un análisis estadístico de estos datos, se adquieren conocimientos sobre la física de partículas elementales. Los cuatro detectores de LEP se denominaron Aleph, Delphi, Opal y L3. Fueron construidos de manera diferente para permitir experimentos complementarios.

ALEF

ALEPH significa Aaparato para LEP pHfísica en el CERN. El detector determinó la masa del bosón W y del bosón Z con precisión de una parte entre mil. Se determinó que el número de familias de partículas con neutrinos ligeros era 2,982±0.013, que es consistente con el valor 3 del modelo estándar. La ejecución de la constante de acoplamiento de la cromodinámica cuántica (QCD) se midió a varias energías y se encontró para ejecutarse de acuerdo con cálculos perturbativos en QCD.

DELFO

DELPHI significa DEtector con Lepton, Photon y Hadron Iidentificación.

ÓPALO

OPAL significa Omni-Paparato Opara LEP. El nombre del experimento era un juego de palabras, ya que algunos de los miembros fundadores de la colaboración científica que propuso por primera vez el diseño habían trabajado anteriormente en el detector JADE en DESY en Hamburgo. OPAL era un detector de uso general diseñado para recopilar una amplia gama de datos. Sus datos se utilizaron para realizar mediciones de alta precisión de la forma de la línea del bosón Z, realizar pruebas detalladas del modelo estándar y poner límites a la nueva física. El detector fue desmantelado en 2000 para dar paso al equipo del LHC. Los bloques de vidrio de plomo del calorímetro electromagnético de barril OPAL se están reutilizando actualmente en los detectores de veto de fotones de gran ángulo en el experimento NA62 del CERN.

L3

L3 fue otro experimento LEP. Su enorme yugo de retorno magnético octogonal permaneció en su lugar en la caverna y pasó a formar parte del detector ALICE del LHC.

Resultados

Los resultados de los experimentos LEP permitieron valores precisos de muchas cantidades del Modelo Estándar, sobre todo la masa del bosón Z y del bosón W (que fueron descubiertos en 1983 en un colisionador anterior del CERN, el Colisionador Protón-Antiprotón). obtenerse, y así confirmar el modelo y ponerlo sobre una base sólida de datos empíricos.

Bosón de Higgs

Cerca del final del tiempo de ejecución programado, los datos sugirieron indicios tentadores pero no concluyentes de que podría haberse observado la partícula de Higgs con una masa de alrededor de 115 GeV, una especie de Santo Grial de la física de alta energía actual. La duración se amplió unos meses, sin éxito. La intensidad de la señal se mantuvo en 1,7 desviaciones estándar, lo que se traduce en un nivel de confianza del 91%, mucho menos que la confianza esperada por los físicos de partículas para afirmar un descubrimiento, y estaba en el extremo superior del rango de detección de los experimentos con las partículas recolectadas. Datos LEP. Hubo una propuesta para extender la operación LEP por un año más para buscar confirmación, lo que habría retrasado el inicio del LHC. Sin embargo, se tomó la decisión de cerrar LEP y avanzar con el LHC según lo planeado.

Durante años, esta observación fue el único indicio de un bosón de Higgs; Los experimentos posteriores hasta 2010 en el Tevatron no habían sido lo suficientemente sensibles como para confirmar o refutar estas sugerencias. Sin embargo, a partir de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS en el LHC presentaron evidencia de una partícula de Higgs de alrededor de 125 GeV y excluyeron fuertemente la región de 115 GeV.