Tras 7 meses de colisiones entre haces de protones, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN comienza su periodo de funcionamiento con colisiones entre protones e iones pesados (núcleos de plomo). El estudio de estas colisiones asimétricas ofrece información sobre la formación del universo unas millonésimas de segundo después del Big Bang.
En ese breve periodo, el universo estaba lleno de todos los tipos de partículas moviéndose casi a la velocidad de la luz. Esta mezcla estaba dominada por quarks, los ladrillos que forman la materia, y gluones, portadores de la fuerza fuerte que mantienen unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico. En los primeros momentos del universo, sin embargo, las condiciones extremas de temperatura y densidad no permitían formar los protones y neutrones, por lo que quarks y gluones se encontraban libres en lo que se llama plasma de quarks y gluones.
Estas condiciones se pueden recrear en aceleradores de partículas haciendo chocar dos haces de iones pesados, formados de elementos como el plomo. Pero en 2012, los físicos del LHC colisionaron por primera vez dos haces formados por diferentes tipos de partículas (iones pesados con protones más ligeros), encontrando resultados sorprendentes: una fracción de estas colisiones mostraba signos de una expansión colectiva del sistema, una especie de mini-Big Bang. Esta es una característica de las colisiones entre iones de plomo bien conocida y asociada con el plasma de quarks y gluones, pero nunca se había observado en colisiones entre iones y protones. En 2013, un mes completo con el LHC funcionando con este tipo de colisiones asimétricas confirmó estas observaciones.
Este año, los protones y los haces de iones chocarán a dos energías: 5,02 TeV y 8,16 TeV, el máximo posible, a final de mes. “No estaba previsto que el LHC hiciera colisionar protones contra plomo, pero ahora hay incluso mayor interés del esperado. Todos los experimentos se han unido al programa, incluido LHCb, que originariamente no era un experimento de iones pesados”, dice John Jowett, el físico del CERN responsable del programa de iones del LHC.
El funcionamiento con energías más bajas se lleva a cabo en su mayor parte por los científicos del experimento ALICE, que esperan obtener más datos procedentes de más eventos y con una mayor precisión para conseguir mejores estadísticas que en 2013.
“Estamos muy ilusionados con la posibilidad de entender en este periodo un parte completamente nueva de este fenómeno. Comprender cómo se comporta la materia que interacciona fuertemente en un sistema más simple de protones e iones de plomo podría proporcionarnos la clave para entender cómo se formó el plasma de quarks y gluones”, explica Federico Antinori, nuevo portavoz de ALICE.
Los iones de plomo tienen 82 veces la carga y son más de 200 veces más pesados que los protones. Hacer chocar haces formados por diferentes partículas supone un reto para el LHC, donde técnicos e ingenieros realizaron un gran trabajo preparatorio durante la parada técnica de la semana pasada para incluir modificaciones especiales en la instrumentación de los haces y en los sistemas de inyección.
“Se creía que este sistema no funcionaría, puesto que partículas de diferentes tipos se mueven también a diferentes velocidades en el LHC”, dice Jowett. En la energía de inyección, el haz de iones de plomo es ligeramente más lento que el de protones, por lo que da siete veces menos vueltas alrededor del anillo del LHC en un minuto (los protones dan 674,729 en este tiempo). “Estos problemas se resolvieron en 2012, pero la física de los haces y el montaje del sistema siguen siendo complicados y de alguna forma un territorio inexplorado”.
“Esta es la primera vez que realizamos colisiones entre iones de plomo y protones desde 2013, por lo que proporcionaremos datos importantes para interpretar aquellos resultados”, dice Frédérick Bordry, director de Aceleradores y Tecnología del CERN. “También es el último ciclo de funcionamiento con iones hasta 2018.
