¿Qué operaciones de mantenimiento se han hecho en el LHC en los últimos dos años?

¡Se acabó la calma! En realidad, calma aparente, porque aunque más silenciosos de cara al público, en el CERN, de puertas adentro, estos dos años han sido de actividad trepidante. Como repite el director para Aceleradores y Tecnología del laboratorio europeo de física de partículas, Frédérick Bordry, "tras la gran cantidad de trabajo realizado en los últimos dos años, el LHC casi parece nuevo".

El objetivo central para este periodo de parada del LHC ha sido la adecuación del conjunto de imanes del acelerador para que puedan operar a la energía centro de masas de 13 TeV, energía muy próxima a la máxima alcanzable, y casi dos veces mayor que la que se alcanzó en la primer periodo de toma de datos (o Run 1) del LHC.

Cuanto mayor es la energía de los haces, mayor es el campo magnético que hay que generar para mantenerlos confinados en la órbita del LHC, y por tanto mayor es la corriente eléctrica que ha de fluir en las bobinas de los imanes superconductores que genera este campo.

La adecuación del LHC ha consistido principalmente en completar el conjunto de las 12 tareas que se muestran en la figura, agrupadas en los que se conoce como el proyecto SMACC (Superconducting Magnet and Circuits consolidation), que consiste en reforzar las interconexiones entre imanes y el sistema eléctrico en todo el circuito del acelerador para que puedan resistir el paso de corriente de hasta 13.000 amperios (un frigorífico funciona a 100 amperios, por ejemplo).

Para ello, se han tenido que abrir las 1.695 interconexiones entre imanes y reforzar las 10.170 interconexiones susceptibles al paso de alta corriente que existen en el circuito del LHC (recordemos, un anillo de 27 kilómetros de circunferencia), rehaciendo completamente hasta un total de 3.000 de ellas. Además, se han reemplazado 15 dipolos superconductores y 3 cuádruplos que, una vez reparados y recalificados, pasarán a engrosar la lista de imanes 'en reserva'.

Electrónica e inyectores

Además de este trabajo principal, se han realizado muchas otras actividades que tienen que ver con un mantenimiento masivo, después de tres años de operación (2010-2013), de toda la infraestructura e instrumentación ligada al acelerador, como la protección de la electrónica situada en túnel del LHC (lo que se conoce como proyecto R2E, Radiation to Electronics) o las diversas actuaciones en el conjunto de inyectores: Booster, PS (Protón Sincrotrón) y SPS (Super Protón Sincrotón).

La electrónica situada en el túnel del acelerador esta expuesta a altísimos niveles de radiación. Para mitigar su degradación se ha mejorado el blindaje de los armarios que la contienen y recolocado para minimizar su exposición. En el conjunto de inyectores se han renovado circuitos de enfriamiento y ventilación, consolidado los circuitos eléctricos y reemplazado o instalado más de 1.000 kilómetros de cables irradiados y nuevos sistemas de fibras ópticas. Todas estas actividades y su ejecución tienen en cuenta no solo la preparación para el próximo periodo de toma de datos, sino también el plan de futuras mejoras previstas en el LHC para mediados de la próxima década.

A este primer periodo largo de parada del acelerador se le conoce como LS1 por sus siglas en inglés (Long Shutdown 1), y se ha caracterizado por un gran número de actividades realizadas en paralelo en diferentes partes del circuito del LHC. Se ha desarrollado a lo largo de casi 24 meses y ha supuesto mas de 1,5 millones de horas de trabajo realizadas por un equipo de 300 personas, compuesto en su mayoría por personal técnico de los diferentes institutos participantes en el proyecto LHC, así como personal externo (contratos con empresas). Todo ello ha requerido de una logística complicada para garantizar los criterios de seguridad y control de calidad exigidos.

El LS1 comenzó en marzo de 2013 y finalizará a principios de marzo del 2015 con el comisionado de los haces. Las primeras colisiones a 13 TeV se esperan a mediados de mayo. El reto de las primeras semanas de funcionamiento consistirá en adecuar los haces y los parámetros de operación del acelerador para conseguir colisiones en intervalos de 25 nanosegundos, como estaba previsto en su diseño. Esto supone aumentar en un factor dos la frecuencia de cruce de haces que se alcanzo durante el primer periodo de funcionamiento del LHC o Run 1.

Aunque parezca un dato técnico, tiene una enorme repercusión para los experimentos, ya que permitirá alcanzar en 2015 una alta luminosidad integrada (medida del número de colsiones en un acelerador de partículas) manteniendo el número de colisiones múltiples por cruce (pile-up) en valores razonables, de unas 20 colisiones por cruce.

Preparados para la nueva toma de datos: Run 2

Los cuatro grandes experimentos del LHC, ATLAS, CMS, ALICE y LHCb han completado también durante el LS1 un extenso programa de trabajo para mantener y/o reparar los detectores e infraestructuras, y completar los sistemas que quedaron sin finalizar en 2009. La programación y secuencia de tareas se han realizado con la vista puesta en los futuros programas de mejora de los detectores, que para ATLAS y CMS se prevén en 2023, mientras que para ALICE y LHCb se realizarán en la próxima parada larga del acelerador, en 2018.

Tanto ATLAS como CMS han instalado nuevas cámaras de muones (los detectores situados en la parte más externa), finalizando así el espectrómetro de muones hacia adelante de los dos experimentos tal como estaba previsto en su diseño. Lo más destacable del trabajo en las infraestructuras del experimento ha sido la consolidación de los sistemas de refrigeración de los potentes imanes de ambos experimentos, los toroides de ATLAS y el solenoide de 4 teslas de CMS.

El mantenimiento del detector ha implicado a prácticamente todos los subsistemas. El trabajo en los calorímetros ha consistido principalmente en el mantenimiento y reparación de la electrónica de lectura y el sistema de alimentación. En CMS se han reemplazado también los fotodetectores de los calorímetros hacia delante por otros más resistentes a la radiación. Para mitigar el daño por radiación en los detectores que constituyen los sistemas centrales de trazas, se han mejorado los sistemas de enfriamiento de los detectores de silicio para operar a temperaturas de -20ºC.

Mientras que en ATLAS se ha instalado una nueva capa de píxeles de silicio alrededor del tubo de vacío (IBL, insertable B-layer) para mejorar su sistema de detección de vértices (detector de Pixel), CMS ha reemplazado el tubo de vacío en la parte central del detector por uno de diámetro reducido que permitirá en la próxima parada del LHC la substitución del detector de vértices actual por otro con más capas de detección y mejores prestaciones.

Estas mejoras permitirán mantener unas condiciones óptimas en la detección y separación de vértices principales en el nuevo entorno de funcionamiento del LHC, en el que se podrían producir hasta 60 colisiones simultáneas en cada cruce de haces.

Seleccionar, reconstruir, almacenar

El programa de mantenimiento no se ha limitado a los detectores. Se ha trabajado mucho también en la mejora del sistema de selección de sucesos (trigger), en el software de reconstrucción y en la optimización del sistema de computación, el GRID. El objetivo es aumentar considerablemente la capacidad de selección y almacenamiento de sucesos para su posterior análisis: de los 40 millones de cruces por segundo que se producirán en el LHC, se prevé seleccionar y almacenar alrededor de 1.000, el doble de lo que se consiguió en el Run 1.

Ello exige mejorar todos los niveles de decisión que constituyen la cadena de selección, desde la mejora de la electrónica de lectura (en un primer nivel de selección) a la optimización de los algoritmos de selección (en los niveles últimos de selección), además de mejorar los programas de reconstrucción para reducir considerablemente el tiempo de procesado de los sucesos.

En un escenario de múltiples colisiones por cruce de haces, el 'tamaño' de los sucesos (el número de partículas producidas en la colisión que alcanzan casi simultáneamente el detector) aumenta considerablemente, por lo que el tiempo requerido para su tratamiento aumentará proporcionalmente. Trabajar en estas condiciones requiere una optimización de la infraestructura, reorganización del sistema de computación y mejora de las técnicas y los algoritmos de reconstrucción de sucesos que actualmente utilizan los experimentos ATLAS y CMS.

Finalmente, y puesto que se pretende almacenar más sucesos y estos serán más voluminosos, se ha conseguido compactar considerablemente la información guardada por suceso, sin que ello perjudique al posterior análisis, con lo que se limita el espacio de almacenamiento y el tiempo dedicado al trafico de datos.

ALICE y LHCb

ALICE y LHCb se preparan también para una mejora importante de sus detectores en los próximos años. Durante el LS1, la tarea principal ha consistido en el mantenimiento y reparación de los detectores e infraestructuras después de casi tres años de operación. Además, ALICE ha completado la instalación del detector TRD (Transicion Radiation Detector), e instalado partes de otros subsistemas (DCal-PHOS) situados en la periferia del detector.

LHCb ha desarrollado un ambicioso sistema de selección de sucesos que tiene como objetivo permitir alcanzar hasta 12,5 kHz de ancho de banda al final de la cadena de selección, lo que supondrá una mejora de más de un factor dos respecto a las condiciones de operación del Run 1, permitiéndole así aprovechar el aumento de la probabilidad de producción de sucesos de interés (en su caso, sucesos que contienen quarks charm y bottom) al trabajar con energías de 13 TeV.

Un buen número de investigadores y técnicos españoles han participado tanto en tareas de mantenimiento y mejora de los detectores (mejora de los calorímetros, sistema de muones, detectores de silicio, IBL-pixeles, etc..), como en las múltiples mejoras de las áreas de software y computing (Even Index Project, etc..). En total, el número de científicos y técnicos españoles que trabajan en el CERN y sus experimentos sobrepasa las 500 personas de 10 centros de investigación coordinados por el CPAN.

El luminoso futuro del LHC

Si el futuro inmediato del LHC ya está operativo, el de más largo plazo está también en marcha. El consejo del CERN aprobó en 2014 el proyecto de mejora del acelerador, llamado LHC de alta luminosidad o High Luminosity LHC (HL-LHC). Esta mejora permitirá alcanzar una luminosidad integrada (número de colisiones) de hasta 300 femtobarn inversos al año, mas de cinco veces superior a la que se prevé alcanzar con el actual LHC.

Su implementación esta proyectada entre los años 2023 y 2025, y el objetivo final es acumular 3.000 femtobarn inversos en 2035, 10 veces más datos que todo el ciclo actual previsto para el LHC. Este aumento tan considerable de la estadística acumulada permitirá realizar medidas de precisión (en la física del bosón de Higgs, por ejemplo), y ampliará la ventana de posibles descubrimientos al permitirnos acceder a procesos con una probabilidad de producción muy pequeña.

Este proyecto requiere un renovado esfuerzo en I+D, en particular en el estudio de imanes superconductores más potentes, mejoras en sistemas de criogenia, colimación, cavidades de radiofrecuencia, etc. Las mejoras en la maquina irán necesariamente acompañadas de cambios y adaptaciones importantes de los detectores ATLAS y CMS.