Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad

El Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad ( HL-LHC ; anteriormente conocido como HiLumi LHC , Super LHC y SLHC ) es una mejora del Gran Colisionador de Hadrones , operado por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), ubicado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra . De 2011 a 2020, el proyecto fue liderado por Lucio Rossi . En 2020, Oliver Brüning asumió el liderazgo. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

La actualización comenzó como un estudio de diseño en 2010, para el cual se asignó una subvención del Séptimo Programa Marco Europeo en 2011, ^{[ 4 ] [ 5 ]} con el objetivo de impulsar el potencial del acelerador para nuevos descubrimientos en física. El estudio de diseño fue aprobado por el Consejo del CERN en 2016, mediante el cual el HL-LHC se convirtió en un proyecto del CERN de pleno derecho. ^{[ 6 ] [ 7 ]} El trabajo de actualización está actualmente en curso y se espera que los experimentos de física comiencen a tomar datos como muy pronto en 2030. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El proyecto HL-LHC proporcionará colisiones protón-protón a 14  TeV con una luminosidad integrada de3  ab ⁻¹ para ambos experimentos ATLAS y CMS ,50  fb ⁻¹ para LHCb , y5  fb ⁻¹ para ALICE . En el sector de iones pesados , las luminosidades integradas de13  nb ⁻¹ y Se entregarán 50 nb⁻¹ para colisiones plomo-plomo y protón-plomo , respectivamente. ^{[ 10 ]} La unidad femtobarn inverso (fb⁻¹ ⁾ mide la luminosidad integrada en el tiempo en términos del número de colisiones por femtobarn de ^la sección transversal del objetivo . El aumento en la luminosidad integrada para los experimentos principales del LHC mencionados anteriormente proporcionará una mejor oportunidad de ver procesos raros y mejorar las mediciones estadísticamente marginales. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

Existen diversas vías para mejorar los colisionadores . La Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) mantiene una colección de diferentes diseños de regiones de interacción de alta luminosidad . ^{[ 13 ]} En 2006 se celebró un taller para determinar las opciones más prometedoras. ^{[ 14 ] [ 15 ]}

El aumento de la luminosidad del LHC implica la reducción del tamaño del haz en el punto de colisión, y la reducción de la longitud y el espaciado del paquete, o un aumento significativo de la longitud y la población del paquete. El aumento máximo instantáneo de la luminosidad nominal existente del LHC (1 × 10 ³⁴  cm ^{− 2} ⋅s ^{− 1} ) es aproximadamente un factor 4 mayor que el rendimiento del LHC en su luminosidad máxima de2 × 10 ³⁴  cm ^{− 2} ⋅s ^{− 1} , desafortunadamente muy por debajo de la ambición inicial del proyecto de actualización del LHC de un factor de 10. Sin embargo, en el taller LUMI'06, ^{[ 14 ]} se propusieron varias sugerencias que aumentarían la luminosidad máxima del LHC en un factor de 10 más allá del nominal hacia1 × 10 ³⁵  cm ^{− 2} ⋅s ^{− 1} .

La luminosidad máxima en el LHC estaba limitada debido a la capacidad de enfriamiento de sus imanes triples y, en segundo lugar, debido a las limitaciones del detector. La tasa de eventos más alta resultante planteó desafíos para los detectores de partículas ubicados en las áreas de colisión. ^{[ 16 ]} A través de las actualizaciones en curso, se espera que la luminosidad máxima del HL-LHC sea5 × 10 ³⁴  cm ^{− 2} ⋅s ^{− 1} y probablemente sería empujado a7,5 × 10 ³⁴  cm ^{− 2} ⋅s ^{− 1} . ^{[ 8 ]}

La actualización del HL-LHC, aplicable a casi todos los experimentos principales del LHC, tiene una amplia gama de objetivos físicos. Aumentar el número de colisiones por cruce de haces a 140, cada vez que un haz de protones se encuentra en el centro de los detectores, desde el número actual de 60, abrirá nuevas vías para observar procesos y partículas raras. ^{[ 9 ]} El aumento en la luminosidad integrada , o evidentemente los conjuntos de datos de eventos de colisión más grandes que se acumularían a través del HL-LHC en el caso de todos los experimentos del LHC, es el aspecto más significativo para lograr los objetivos que se describen a continuación. La motivación para la construcción de una gran infraestructura subterránea en el HL-LHC, por lo tanto, es tener una máquina de alta eficiencia y alta confiabilidad que pueda proporcionar la luminosidad integrada requerida.

Los principales objetivos del HL-LHC pertenecen, por lo tanto, a las siguientes cinco categorías: mediciones mejoradas del Modelo Estándar , búsqueda de física más allá del Modelo Estándar (BSM) , física de sabor de quarks y leptones pesados , estudios de las propiedades del bosón de Higgs y estudios de la materia QCD a alta densidad y temperatura. ^{[ 17 ] [ 10 ]}

La medición del bosón de Higgs y la comprensión de su conexión con la ruptura de la simetría electrodébil sigue siendo el objetivo principal. En el ámbito de la física de sabores, LHCb, ATLAS y CMS, en conjunto, pondrán a prueba la unitariedad de la matriz de Cabibbo-Kobayashi-Maskawa , y ATLAS y CMS medirán las propiedades del quark top , el fermión con la mayor masa conocida y el mayor acoplamiento de Yukawa . HL-LHC también contribuirá al conocimiento de las funciones de distribución de partones (PDF) mediante la medición de varios procesos del Modelo Estándar con los jets, quarks top , fotones y bosones de gauge electrodébiles en su estado final. La producción de jets y fotones en las colisiones de iones pesados ​​constituye la base de las sondas de la teoría de perturbaciones de QCD , y HL-LHC medirá esto a escalas de energía muy altas. Debido a estas colisiones de alta energía, también existe la posibilidad de que el HL-LHC detecte fenómenos más allá del Modelo Estándar, como la bariogénesis , la materia oscura , respuestas al problema del sabor , masas de neutrinos e información sobre el problema CP fuerte . ^{[ 17 ] [ 10 ] [ 18 ] [ 19 ]}

Las mejoras en los inyectores de iones pesados ​​también están en marcha y brindarían aún más oportunidades para observar fenómenos muy raros y para buscar física más allá del Modelo Estándar.

El proyecto HL-LHC se inició en 2010, y el siguiente ha sido el cronograma hasta 2020, seguido de las etapas futuras tentativas. ^{[ 7 ]}

• 2010: El HL-LHC se estableció en el CERN como un estudio de diseño.
• 2011: El estudio de diseño FP7 HL-LHC fue aprobado y comenzó. ^{[ 4 ]}
• 2014: Se publicó el primer informe preliminar sobre el estudio de diseño. ^{[ 20 ]}
• 2015: Se puso a disposición el presupuesto y el cronograma junto con el informe de diseño técnico. ^{[ 21 ]}
• 2016: El Consejo del CERN aprobó el proyecto HL-LHC con su presupuesto y cronograma iniciales. ^{[ 7 ]} Posteriormente, se validaron las partes de hardware que consisten en componentes y modelos.
• Entre 2018 y 2020: Se probaron los prototipos y se publicó el informe final de diseño técnico. ^{[ 7 ]} También se llevaron a cabo los trabajos de excavación subterránea. Si bien los trabajos de ingeniería civil y el proceso de creación de prototipos continuarían hasta finales de 2022. ^{[ 9 ]}

• 2019-2024: Se llevó a cabo la construcción y las pruebas de los componentes de hardware.
• 2022: Se finalizaron con éxito todos los trabajos de ingeniería civil subterránea. ^{[ 9 ]}
• 2023: Todos los nuevos edificios de superficie fueron entregados al CERN. ^{[ 9 ]}
• 2025: La producción de los nuevos imanes cuadrupolares tripletes internos está en curso. ^{[ 9 ]}
• 2026: Se reemplazarán los imanes cuadrupolares existentes al final del período de funcionamiento nominal del LHC, actualmente proyectado para mediados de 2026. ^{[ 9 ]}
• 2026-2030: Se prevé la instalación de nuevos imanes, cavidades de cangrejo, líneas criogénicas, absorbedores, colimadores, enlaces superconductores y equipos auxiliares. ^{[ 9 ]}

Si todas las actividades planificadas anteriormente se completan según el cronograma, el HL-LHC podrá comenzar a tomar datos de física con la Run 4 a mediados de 2030. ^{[ 9 ]} La Run 4 continuará hasta finales de 2033, momento en el que la parada prolongada 4 detendrá todas las operaciones hasta que la Run 5 esté programada para comenzar a mediados de 2036. La planificación operativa actual del HL-LHC ha aprobado la toma de datos de la Run 5 hasta finales de 2041. ^{[ 22 ]}

Las siguientes mejoras en los sistemas de las máquinas constituyen la base del nuevo HL-LHC.

Imanes cuadrupolares : Los potentes imanes, junto con los enormes anillos, son un aspecto esencial para el funcionamiento del LHC. El HL-LHC contará con imanes cuadrupolares de 11,3 teslas , frente a los 8,6 teslas del LHC. ^{[ 23 ]} Estos imanes superconductores, compuestos de niobio-estaño intermetálico (Nb₃Sn ₎ , se instalarán alrededor de los detectores CMS y ATLAS. Un proyecto conjunto de diez años entre el CERN, el Laboratorio Nacional de Brookhaven , Fermilab y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, conocido como el Programa de Investigación del Acelerador del LHC del Departamento de Energía de los Estados Unidos (US-LARP), construyó y probó con éxito estos imanes cuadrupolares. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]} Los MQXFB, los cuadrupolos para el HL-LHC, se encuentran, a partir de 2025, en la fase de producción en serie, con aproximadamente 2/3 de las bobinas completadas y la mitad de los imanes ensamblados. ^{[ 23 ]}

Imanes dipolares : Para la instalación de los nuevos colimadores , será necesario reemplazar dos de los imanes dipolares del LHC por otros más pequeños. Estos últimos serían más potentes (11 teslas) que los imanes dipolares del LHC (8,3 teslas) y permitirían una mayor desviación de las trayectorias del haz. Actualmente se encuentran en fase de prototipo en el CERN y a mitad de la fase de producción en Estados Unidos. ^{[ 28 ] [ 29 ]} Es probable que estos imanes se instalen solo después de la plena implementación del HL-LHC, aunque la decisión final aún está pendiente.

Cavidades de cangrejo : La función de las cavidades de cangrejo es inclinar y proyectar los haces en la dirección requerida. Esta inclinación maximiza la superposición entre los haces que colisionan, lo que conduce a un aumento en la luminosidad instantánea alcanzable. ATLAS y CMS juntos tendrán 16 cavidades de cangrejo, que darán momento transversal a los haces para aumentar la probabilidad de colisión. ^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]} Actualmente se ha realizado una demostración prototipo de la desviación de un haz de hadrones, y se han llevado a cabo varios experimentos clave con haces en el Super Sincrotrón de Protones del CERN en presencia de cavidades de cangrejo. ^{[ 9 ]}

Óptica del haz : Según el diseño actual del HL-LHC, la intensidad del haz disminuirá debido al agotamiento de los haces de protones circulantes dentro del colisionador. Mantener la intensidad a un nivel constante durante toda la vida útil del haz representa, por lo tanto, un gran desafío. No obstante, se planea contar al menos con un sistema que permita que el enfoque del haz o la concentración de los haces antes de la colisión se mantengan constantes. ^{[ 6 ] [ 30 ]}

Criogenia : La implementación del HL-LHC requeriría plantas criogénicas  más grandes, además de refrigeradores de 1,8 kelvin de mayor tamaño e intercambiadores de calor de subenfriamiento. También se desarrollarán nuevos circuitos de refrigeración. La mayoría de estas mejoras se destinan a los puntos de interacción P1, P4, P5 y P7. Si bien P1, P4 y P5 contarán con nuevas plantas criogénicas, P7 tendrá nuevos circuitos criogénicos. ^{[ 30 ] [ 32 ]}

Protección de la máquina y colimadores : Los colimadores se encargan de absorber cualquier partícula adicional que se desvíe de la trayectoria original del haz y que pueda dañar las máquinas. Las luminosidades más altas inevitablemente generan este tipo de partículas de alta energía. Por lo tanto, el diseño del HL-LHC incluye medidas para prevenir daños mediante la sustitución de 60 de los 118 colimadores y la adición de unos 20 nuevos. Los colimadores mejorados también tendrán una menor interferencia electromagnética con los haces. ^{[ 30 ] [ 32 ]}

Líneas de alimentación superconductoras : Para cumplir con los requisitos del acelerador HL-LHC, se utilizarán líneas de transmisión de energía superconductoras hechas de diboruro de magnesio (MgB₂ _{) para transmitir la corriente de aproximadamente}100 000 amperios. ^{[ 30 ] [ 32 ]}

Como parte del HL-LHC, se realizarán cambios significativos en el inyector de protones. Los haces que llegan al LHC son preacelerados mediante cuatro aceleradores.

1. Acelerador lineal (Linac4)
2. Potenciador de sincrotrón de protones (PSB)
3. Sincrotrón de protones (PS)
4. Super Sincrotrón de Protones (SPS)

Los cuatro aceleradores, conocidos en conjunto como los inyectores, serán actualizados a través del proyecto de actualización de inyectores del LHC (LIU) durante el cierre prolongado 2 (LS2). ^{[ 33 ] [ 34 ]} El LIU es responsable de suministrar haces de brillo muy alto al HL-LHC. Los inyectores de protones serán actualizados para producir haces de protones con el doble de la luminosidad original y 2,4 veces el brillo .

La sustitución del acelerador lineal 2 (Linac2, que suministraba los haces de protones) por el acelerador lineal 4 (Linac4) se llevó a cabo en 2020. ^{[ 35 ]} El Linac4 es un  acelerador lineal de 160 MeV y suministra haces de H− ^con el doble de brillo que sus predecesores. ^{[ 8 ] [ 32 ] [ 33 ] LIU también actualizó la fuente de iones} H− de plasma de radiofrecuencia cesiado que alimenta el Linac4. El reto consistía en obtener un haz de fuente de alta corriente y baja emitancia. ^{[ 36 ]}

También se están diseñando mejoras en el inyector de iones pesados ​​a través de las mejoras en el Anillo de Iones de Baja Energía (LEIR) y Linac3 . ^{[ 34 ] [ 37 ]} El sistema de extracción de la fuente de Linac3 fue rediseñado y, al final de LS2, aumentó con éxito la intensidad del haz de la fuente extraída en un 20 %. ^{[ 38 ]}

Para poder gestionar el aumento de la luminosidad, el número de interacciones simultáneas de partículas, la enorme cantidad de datos y la radiación del entorno del HL-LHC, se actualizarán los detectores.

ALICE : La actualización aumentará la vida útil del Calorímetro de Baldosas (TileCal), un calorímetro hadrónico sensible a partículas cargadas, en 20 años. El tubo de haz de ALICE también será reemplazado por uno de menor diámetro. El sistema de seguimiento y las cámaras de proyección de tiempo serán actualizados junto con un nuevo detector de activación de interacción más rápido. ^{[ 32 ] [ 10 ]}

ATLAS : El calorímetro de argón líquido de ATLAS se actualizará para identificar electrones y fotones con mayor eficacia. La electrónica de lectura principal del calorímetro se reemplazará por completo para permitir que el detector identifique interacciones de partículas poco frecuentes. Estos cambios están previstos para la tercera parada prolongada (LS3) del LHC. ^{[ 39 ] [ 32 ] [ 10 ]}

CMS : CMS llevará a cabo numerosas mejoras en su sistema de seguimiento interno, el sistema de disparo, el calorímetro y los sistemas de detección de muones durante la parada prolongada 2 (LS2) y la parada prolongada 3 (LS3). Estos cambios se basan en las densidades de acumulación previstas y el aumento de la radiación debido a la mayor luminosidad. También se planean cambios similares para el experimento ATLAS. ^{[ 32 ] [ 10 ]}

FASER-2 : El experimento FASER del LHC se someterá a varias mejoras y se convertirá en FASER- ² para aprovechar al máximo las capacidades del HL-LHC. Tendrá un volumen de desintegración de 10  m³ , tres órdenes de magnitud mayor que el de FASER, y aumentará el rango de sensibilidad en cuatro órdenes de magnitud. Explorará el régimen de fotones oscuros , bosones de Higgs oscuros, leptones neutros pesados ​​y acoplamiento débil de bosones de gauge . También contará con el subdetector FASERnu para observaciones de neutrinos y antineutrinos. ^{[ 40 ]}

LHCb : LHCb recibirá cámaras de vacío centrales de apertura reducida durante LS2. El detector Vértice Locator (VELO), que mide los vértices primarios y desplazados de partículas de corta duración, se mejorará para hacer frente al aumento de las tasas de radiación e interacción de partículas. ^{[ 32 ] [ 10 ]}

MoEDAL : Para la tercera fase del LHC, MoEDAL implementará un nuevo subdetector llamado Aparato de MoEDAL para la detección de partículas penetrantes (MAPP). Para el HL-LHC, MAPP-1 se actualizará a MAPP-2. ^{[ 41 ]}

Detector de Dispersión y Neutrinos (SND) : El SND comenzará su primera operación recién en 2022, durante la Run-3 del LHC. El plan de actualización para el SND en el HL-LHC es continuar desarrollando el detector con el objetivo de mejorar las estadísticas de eventos de colisión y expandir su rango de pseudorapidez para estudios de producción de quarks pesados ​​e interacciones de neutrinos . ^{[ 42 ]}

TOTEM : La colaboración TOTEM -CMS, que ha estado operando el espectrómetro de precisión de protones (PPS) desde 2016, medirá los eventos de producción exclusivamente centrales en el HL-LHC con una versión mejorada del PPS cercano al haz. ^{[ 43 ]}

• Página web del proyecto HL-LHC: Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad
• En el sitio web CERN Courier se puede encontrar un artículo de prensa exhaustivo sobre el taller de 2006 .
• Un resumen de los posibles parámetros de la máquina se puede encontrar en la colección de parámetros de la máquina archivada el 25 de junio de 2007 en la Wayback Machine .
• Nuevas tecnologías para el LHC de alta luminosidad
• Proyecto de actualización del inyector del LHC