El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) es el mayor acelerador de partículas del mundo. En este experimento, los físicos del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN) hacen chocar entre sí partículas subatómicas (principalmente protones, uno de los constituyentes del núcleo del átomo) en puntos seleccionados donde se ubican grandes detectores (ATLAS, CMS, LHCb y ALICE). Estos registran las partículas resultantes de las colisiones para estudiar los elementos que componen la materia de la que está hecha el Universo, incluidos nosotros mismos, y sus interacciones.

El LHC

Una infraestructura realmente compleja... y poderosa

Situado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, el LHC es un anillo de 27 kilómetros de circunferencia ubicado a 100 metros bajo tierra. En el interior de este acelerador, dos haces de partículas con mucha energía viajan a una velocidad cercana a la de la luz antes de que se les haga colisionar. Los haces viajan en direcciones opuestas en tubos de haz separados, dos tubos que se mantienen en ultra alto vacío. El interior del anillo es el lugar más vacío del Sistema Solar (10-13 atmósferas) para evitar que las partículas colisionen con moléculas de gas; y cuando las partículas colisionan entre sí se generan temperaturas 100.000 veces más calientes que el interior del Sol. Además, los haces son guiados alrededor del anillo del acelerador con un fuerte campo magnético mantenido por electroimanes superconductores. Los electroimanes están construidos con bobinas de un cable eléctrico especial que funciona en estado superconductor, conduciendo eficazmente la electricidad sin resistencia ni pérdida de energía. Para ello es necesario enfriar los imanes a -271,3 °C, cerca del cero absoluto, una temperatura más fría que la del espacio exterior. Por esta razón, gran parte del acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría los imanes, así como a otros servicios de suministro.

Se utilizan miles de imanes de diferentes variedades y tamaños para dirigir los haces alrededor del acelerador. Entre ellos se encuentran 1232 imanes dipolares de 15 metros de longitud que curvan los haces, y 392 imanes cuadrupolares, cada uno de ellos de 5 a 7 metros de longitud, que enfocan los haces. Justo antes de la colisión, se utiliza otro tipo de imán para "apretar" las partículas y aumentar las posibilidades de colisión. Las partículas son tan diminutas que la tarea de hacerlas colisionar se asemeja a disparar dos agujas a 10 kilómetros de distancia con tal precisión que se encuentren a mitad de camino.

Todos los controles del acelerador, sus servicios y la infraestructura técnica se encuentran bajo un mismo techo en el Centro de Control del CERN. Desde aquí, los haces del LHC se hacen colisionar en cuatro puntos del anillo del acelerador, que corresponden a las posiciones de cuatro detectores de partículas: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. En cada detector trabaja un equipo investigador formado por más de un centenar de personas pertenecientes a la comunidad internacional especializada en física de partículas. Es por esto por lo que el nombre de los detectores también se utiliza para designar el experimento en el que colaboran los disintos grupos de investigación.

Etapas de funcionamiento del LHC desde su inauguración

Primera puesta en marcha (2009–2013)

El LHC funcionó por primera vez el 10 de septiembre de 2008, pero un falló en las conexiones eléctricas provocó grandes daños en más de 50 imanes superconductores y en el tubo de vacío. Por ello, no fue hasta novimebre de 2009 que se volvió a poner en marcha, una vez solucionadas las consecuencias del incidente. El 20 de noviembre de 2009, varios haces de baja energía circularon por el acelerador por primera vez desde el incidente que causó el retraso en el funcionamiento y, poco después, los haces que circulaban por el LHC alcanzaron una energía de 1,18 TeV, convirtiéndose en el acelerador de partículas más energético y potente del mundo, superando el registro máximo anterior registrado por el Tevatron del Fermilab (0,98 TeV).

Durante la primera mitad de 2010, fue aumentándose progresivamente la potencia del acelerador y se llevaron a cabo los primeros experimentos con haces circulando a energías de 3,5 TeV. Ese mismo año, en marzo, el LHC registró un nuevo récord al hacer chocar haces de protones con una energía de 7 TeV.

El CERN tenía previsto apagar el LHC a finales de 2012 para llevar a cabo tareas de actualización y mantenimiento de cara a una segunda etapa de funcionamiento, pero el relevante y sonado descubrimiento del bosón de Higgs en julio de 2012 hizo que se pospusiese el cierre hasta principios de 2013, para poder obtener otros datos adicionales sobre dicho descubrimiento antes de la parada prevista.

Primera gran parada (LS1) (2013–2015)

A prinicpios de 2013, el LHC se apagó para entrar en su primera fase de actualización, con una duración prevista de 2 años. Esta primera gran parada se denomina Long Shutdown 1 (LS1, por sus sigas en inglés). Por ejemplo, algunos de los objetivos y mejoras que la comunidad investigadora tenía en mente eran: mejorar los detectores y preaceleradores para alcanzar energías de colisión de 14 TeV, reemplazar el sistema de ventilación y cambiar decenas de kilómetros de cableado deteriorado a causa de las colisiones a tan altas energías.​ El colisionador actualizado comenzó su largo proceso de arranque y prueba de funcionamiento en 2014, hasta que en 2015, con todas las mejoras implementadas, volvió a ponerse en funcionamiento.

Segunda puesta en marcha(2015–2018)

El 5 de abril de 2015, el LHC se reinició después de una parada de dos años. Entre 2015 y 2017, la energía de colisión en el LHC llegó a alcanzar los 13 TeV. Dicha energía se alcanzó por primera vez en abril de 2015. En junio de 2015, comenzaron a registrarse datos físico para su futuro análisis.

Durane el año 2016, los técnicos se centraron en aumentar la "luminosidad" de las colisiones protón-protón. La "luminosidad" es la medida del número de colisiones potenciales por unidad de superficie y tiempo en un acelerador de partículas. Es un indicador básico del funcionamiento de un acelerador y se mide en femtobarns inversos: 1 femtobarn inverso equivale a 100 billones de colisiones entre protones. Las mejoras en la luminosidad del LHC incrementaron la tasa de colisión alcanzándose el doble del valor que tenía el diseño original.

Segunda gran parada (LS2) (2018–2022)

La Segunda gran parada del LHC (Long Shutdown 2, LS2) comenzó el 10 de diciembre de 2018 y ha durado hasta hace escasamente unas semanas. En esta gran parada, se han llevado a cabo tareas de mantenimiento y actualización, tanto en el LHC como en todo el complejo de aceleradores del CERN. Durante esta parada, la comunidad investigadora se ha centrado en implementar las mejoras enmarcadas en un proyecto denominado 'Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC)', que pretende aumentar en gran medida la luminosidad del acelerador. Se preveé tener operativo el HL-LHC en 2026.

Tercera puesta en marcha (2022- )

El 22 de abril de 2022, a las 12:16h, hora local de Ginebra, dos haces de protones circularon en direcciones opuestas por el acelerador, marcando el inicio del tercer periodo de funcionamiento del LHC. Aunque estos hacen aún no forman parte del funcionamiento normal del LHC, son las primeras pruebas de funcionamiento que pretenden verificar las mejoras y cambios implementados en la última gran parada LS2. Los primeros haces han circulado por el túnel del acelerador con una energía de inyección de 450 mil millones de electronvoltios, que irá aumentando a medida que se compruebe que el sistema funciona correctamente.

Está previsto que el LHC esté operativo durante al menos 15 años. En ese tiempo, los científicos esperan obtener datos suficientes para profundizar en el conocimiento del origen y formación del Universo.