El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo. Está situado cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Es una máquina de 27 kilómetros de circunferencia basada en tecnología superconductora: los imanes están enfriados a -271.3 ºC, y por ellos circulan corrientes de hasta 11.850 amperios.
El LHC es el sistema de criogenia más grande del mundo. La intensidad de los haces de partículas y su energía en movimiento confieren a estos haces una energía de 362 millones de julios (J), suficientes para derretir 500 kilogramos de cobre. Sistemas extremadamente sofisticados como el sistema de inyección de los haces desde el pre-acelerador Súper Sincrotrón de Protones (Super Proton Synchrotron, SPS), el sistema de extracción de los haces, las cavidades de radio frecuencia, la instrumentación del haz, etcétera, trabajan juntos de manera sincronizada para asegurar la operación del LHC de forma fiable y segura.
La explotación de semejante máquina no tiene precedentes, y los ingenieros y físicos que trabajan en ella han tenido que aprender cómo operar este imponente acelerador. Debido a su complejidad, la estrategia más adecuada para su puesta en servicio consiste en preparar un plan de trabajo en varias etapas de complejidad creciente.
Puesta en marcha gradual del LHC
Durante la primera etapa, los expertos de los diferentes equipos preparan y prueban los sistemas de manera individual. Conforme los equipos se consideran listos, el grupo de operación del LHC los vuelve a probar desde la sala de control con las mismas herramientas de explotación que se van a usar durante la operación con haces de partículas. Los diferentes equipos se prueban entonces todos juntos de manera sincronizada, siguiendo los mismos procedimientos que se usarán con los haces, pero sin haces. Esto es lo que se llama en la jerga del grupo de operaciones del LHC "pruebas en seco" (dry runs), porque se realizan sin haz, y "pruebas de potencia" (powering test), cuando lo que se prueba es la alimentación con corriente de los imanes. Estos test comenzaron hace más de un año.
Al final de cada prueba de potencia de los grandes dipolos del LHC se empieza la fase de entrenamiento (training quench). Cada uno de los grandes imanes, y hay 1.232 en total, tiene que ser capaz de alcanzar exactamente la misma corriente para que los haces puedan circular con éxito. Para el segundo ciclo de funcionamiento del LHC (Run 2) tienen que funcionar a 10.980 amperios, que corresponde a una energía de 6.5 TeV. Algunos imanes no son capaces de alcanzar esta corriente al primer intento y pierden su estado de superconductor durante el proceso. Esto es lo que se llama quench. Normalmente, al segundo intento ya pueden llegar. Pero como hay más de mil imanes, cada vez quenchea uno diferente.
Cuando todos los subsistemas del LHC están preparados, bajo el control del grupo de explotación se procede a realizar un test global de los equipos, que consiste en operarlos todos juntos siguiendo el ciclo estándar de los haces, pero sin haces. Esto se denomina "machine checkout".
Pruebas de inyección con haces reales
Un par de semanas antes de comenzar la inyección de los haces en el LHC, se procede a lo que se denomina "pruebas de inyección", que han tenido lugar entre el 6 y el 9 de marzo. Durante estas pruebas, paquetes con billones de protones cada uno se han inyectado en el LHC desde el pre-acelerador SPS. La mitad de los paquetes ha entrado en el LHC desde el punto 2 del anillo del acelerador, pasando por el detector ALICE antes de ser absorbidos por un bloque de wolframio (llamado colimador) en punto 3. La otra mitad ha entrado por el punto 8, donde está el detector LHCb, atravesando dos octavos de la máquina hasta ser extraídos con éxito por el sistema de extracción de haces en el punto 6. Una vez extraídos, todavía recorren unas centenas de metros hasta ser absorbidos por un bloque de grafito, rodeado de cemento, de 7 metros de largo.
Los test de inyección son muy importantes porque permiten probar todos los subsistemas del acelerador trabajando de una manera sincronizada con verdaderos haces. Como se realizan unas semanas antes del comienzo de la explotación del LHC, permiten encontrar problemas que sólo los haces pueden descubrir y resolverlos antes de ese comienzo.
Los test de inyección también son muy importantes para los detectores ALICE y LHCb. Al final de las líneas que llevan los protones desde el SPS al LHC hay bloques construidos con varios materiales rodeados de hierro. Estos bloques se colocan en la trayectoria del haz, y cuando los protones impactan, una cascada de partículas secundarias resultado de la colisión sale despedida hacia los detectores situados a unos 250 metros de distancia. Estas cascadas de partículas permiten calibrar y alinear los detectores de ALICE y LHCb para estar preparados cuando se produzcan las colisiones en el punto de interacción.
Al final de todos estos preparativos, el acelerador está preparado para recibir los haces que, eventualmente, recorrerán con éxito los 27 kilómetros once mil veces por segundo. Este acontecimiento está programado para el mes de marzo de este año. El nuevo periodo de funcionamiento, que durará hasta 2018, es de gran importancia para la física de partículas porque el LHC producirá colisiones a una energía en centro de masas muy cercana para la que ha sido diseñado, 14 TeV. Todos estamos impacientes por desvelar las propiedades de la naturaleza a estas energías que son terra incognita.
Reyes Alemany es física de partículas e ingeniera de operaciones del LHC.
