|
The LEP adventure. LEP, the e+ e- collider at CERN, has been successfully operating since 1989. During the first six years LEP has been running at an energy level of around 91 GeV, which has gradually increased up to 209 GeV in 2000. More than four million events have been collected by each of the four detectors collecting data at LEP: ALEPH, DELPHI, L3 and OPAL. The results obtained have tested the Standard Model of elementary particles to very high precision and set stringent limits to alternative models. The data has been carefully checked for evidence of the Higgs boson and this is still one of the major goals of present analyses. The year 2000 is the last year of the LEP operation and preparation of the new hadron collider LHC will start, which will reach energy levels of 14 TeV by the beginning of 2005. Gener de 1989, a sis mesos que el LEP (Large Electron Positron machine), el major col·lisionador circular d’electrons i positrons, e+ e– , mai construït, comence a funcionar. L’accelerador es troba al Laboratori Europeu de Física de Partícules, CERN, a Ginebra. Està situat a una fondària mitjana de 90 m i la seua circumferència és de 27 km. Les aniquilacions e+ e– constitueixen un marc ideal per tal de realitzar experiments d’altes energies ja que tot el que s’observa en els detectors és producte de la col·lisió de les partícules accelerades, en aquest cas l’electró i la seua antipartícula, el positró. La suma de les energies que cada feix transporta es transforma, a través de la interacció electró-positró, en tots aquells estats de matèria que la natura permet a aquest llindar energètic (E=mc2). L’accelerador LEP s’ha construït al límit de la seua tecnologia i molt possiblement serà l’últim accelerador circular e+ e– que es construesca. Per tal de superar les energies projectades en el LEP, fins a uns 100 GeV per feix, és necessari un altre tipus d’accelerador, vista la inviabilitat del preu i la impossibilitat d’augmentar indefinidament la circumferència de les òrbites que els feixos recorren. A diferència dels acceleradors e+ e– , en els col·lisionadors hadrònics les partícules que s’acceleren, hadrons en general, són partícules compostes d’altres de més elementals, els quarks i gluons, que són les que sofreixen la interacció. Açò condiciona la interpretació experimental dels esdeveniments i la fa molt més complicada que en el cas e+ e– . D’altra banda, el procés que limita l’augment de l’energia de LEP per damunt del centenar de GeV per feix és minúscul en aquestes màquines. Per exemple, en el cas de protons és 1013 vegades menor. Per això ja es comença a pensar en els pròxims acceleradors com a acceleradors hadrònics. En concret al CERN en aquests moments es planifica la construcció del LHC (Large Hadron Collider) el qual, aprofitant el mateix túnel que el LEP, podrà assolir una energia per feix de 7 TeV. Pel que fa a les qüestions de física de partícules que es plantegen afrontar i eventualment resoldre, en el cas del LEP giren a l’entorn de l’estructura del denominat model estàndard de les interaccions electrofebles i fortes, les interaccions que principalment senten els leptons i els quarks. Continuarà sent el model estàndard vàlid a les distàncies en què el LEP penetrarà? Existeix el bosó de Higgs? Hi haurà tres generacions de quarks i leptons? Per què? Quants neutrins lleugers existeixen? Arribarem a entendre per què les masses de les partícules són les que són? Aquestes, entre d’altres, són les preguntes a les quals s’espera que el LEP done llum.
Figura 1: Esquema a escala del detector DELPHI on l’IFIC ha participat en la construcció dels subdetectors TOF (centellejadors) i FEMC (calorímetre electromagnètic davanter) i actualment en l’anàlisi dades. En una primera fase el LEP tindrà una energia nominal de funcionament d’uns 45 GeV per feix, suficient per tal de produir el tan desitjat bosó Zº i així poder mesurar totes les seues propietats de producció i desintegració, amb fortes implicacions en la comprensió del model estàndard. Abraçarà el període 1989-1995 i s’espera recollir uns quants milions de Zº per experiment, es pretén per tant realitzar mesures de molt alta precisió. En la segona fase s’augmentarà l’energia de LEP fins al màxim, uns 100 GeV per feix. Si tot surt com és previst això haurà d’ocórrer gradualment entre els anys 1996 i 2000. En aquest cas es podrà observar per primera vegada la producció doble de bosons W± mitjançant l’acoblament triple dels bosons febles. El nombre d’esdeveniments que en aquest cas es podran recollir serà bastant menor al de la primera fase, d’unes quantes desenes de milers d’esdeveniments. En ambdós casos es buscarà el bosó de Higgs (H) i qualsevol possible indici de nova física, és a dir, que no puga ser explicada pel model estàndard a través d’un examen rigorós de les dades. Les dimensions de l’univers microscòpic que aquest accelerador permetrà explorar són de prop de 10-18 m. En aquests moments, l’activitat en els experiments és frenètica ja que l’hora de la veritat s’acosta. La comunitat de físics que s’han compromès a construir cada detector ha realitzat durant molts anys proves de viabilitat en què, partint d’un disseny original, han acabat perfilant i finalment construint les parts compromeses en la col·laboració. Les preguntes ara són: funcionarà el detector en la seua globalitat?, la informació de cadascuna de les parts, compostes per milions de canals, complirà els protocols planificats per tal que es puguen reconstruir els esdeveniments com un tot?, és més, funcionarà el protocol? Cada 22 milisegons el LEP proporcionarà un creuament de feixos però no tots els creuaments originaran una interacció. Més encara, la present tecnologia té una amplària de banda que, donades les dimensions mitjanes que tindran els esdeveniments, limita la seua escriptura en disc a uns 10 Hz. El sistema de trigger s’encarrega de realitzar la selecció de dades en temps real de manera que la freqüència inicial de creuament, uns 45 kHz, es reduesca a la freqüència permesa d’adquisició de dades. Els requeriments d’aquest sistema són clars, cap esdeveniment potencialment interessant s’hauria de perdre, tot i que el temps emprat a prendre les decisions significa una pèrdua d’un 5% de creuaments. Dels esdeveniments escrits en banda només un percentatge molt petit conté física rellevant. L’art de trobar i extraure aquests esdeveniments importants constitueix l’anàlisi de dades. Aquest procés depèn de la iniciativa individual dels físics i pot –i de fet sol fer-ho– durar uns quants anys. Tot i que la tecnologia utilitzada en els detectors és complicada i normalment està al límit del coneixement, el principi de detecció és simple i hi estem acostumats en la nostra vida quotidiana més del que sembla. Per exemple, l’accelerador Sol, mitjançant mecanismes encara no molt ben entesos del món subatòmic, produeix fotons, neutrins, nuclis i moltes més partícules, algunes de les quals de vida molt efímera. En particular els fotons en arribar a la Terra incideixen sobre els objectes i després sobre els nostres ulls. Els detectors, ulls, en captar els fotons produeixen una sèrie de reaccions que el nostre cervell ha après a processar i, com a resultat, acabem coneixent la forma i color, entre altres propietats, d’aquests objectes. Així, imitant la naturalesa, funcionen els físics de partícules. Figura2: A l’esquerra, reconstrucció d’un esdeveniment real on es pot observar el punt d’impacte dels feixos i el posterior vol i desintegració de l’hadró B – en K*0p –. A la dreta, els productes de la desintegració de l’hadró s’identifiquen utilitzant diverses tècniques. En termes generals els detectors del LEP estan organitzats en capes concèntriques de simetria cilíndrica respecte als feixos de l’accelerador amb els quals cobreixen tot l’espai al voltant del punt d’interacció (4þ). Les dimensions típiques són d’uns 10 m d’altura i unes 3.500 tones de pes. Cada capa està especialitzada en un sistema de detecció. Quan les partícules produïdes en la interacció travessen les capes el que de fet fan és interaccionar amb el medi o material que les componen. En base a aquesta interacció i mitjançant certs principis d’operació, el procés acaba convertint-se en un senyal elèctric que es registra i que conté la informació que es transmet i s’escriu en el disc. Les dificultats tècniques que es deriven d’aquest procediment són degudes a la sofisticació dels principis físics que s’apliquen per tal d’originar els senyals, l’amplitud tan menuda d’aquests respecte al soroll normal d’operació de l’electrònica associada, a més de la gran velocitat i sincronització necessàries per tal de processar ràpidament milions de canals. De dins cap a fora, la primera capa es denomina detector de vèrtex. Aquest detector està compost per detectors semiconductors de silici de gran precisió, capaços de reconstruir l’impacte d’una partícula carregada amb un error d’uns 10 mm. La seua missió és reconstruir vèrtexs diferents al del punt d’interacció, on les partícules, de vides mitjanes de prop de 10–12 segons es desintegren en d’altres. Aquestes partícules, encara que la seua existència és prou curta, es poden observar perquè viatgen a velocitats pròximes a la de la llum i per això acaben recorrent distàncies pròximes al mil·límetre que aquests detectors ja poden reconstruir. La segona capa se sol denominar detector de traces, ja que mitjançant diverses tècniques és capaç de seguir les trajectòries de totes les partícules carregades amb una precisió de prop d’un centenar de micres durant recorreguts d’1 m aproximadament. Així s’aconsegueix reconstruir la trajectòria de les partícules que, com que estan sota l’acció d’un camp magnètic pròxim a la tesla, són corbes i, gràcies a això, també pot mesurar el seu moment. En la tercera capa comença la calorimetria i el primer calorímetre és l’electromagnètic. El seu objectiu és reconstruir les energies dels fotons i electrons que, en perdre tota la seua energia, acaben atrapats. L’ús d’aquests detectors requereix que les capes més internes siguen de materials o medis extremadament lleugers per tal de no degradar les energies inicials. La quarta capa comprèn el calorímetre hadrònic i la seua funció principal és la de reconstruir les energies de totes les partícules que hi arriben, generalment hadrons. Contràriament a les primeres capes està formada per materials molt pesants amb la finalitat d’absorbir i atrapar totes les partícules que hi arriben. Només els muons tenen un poder de penetració que la supera. L’última etapa és la que formen les cambres de muons, a vegades també inserides entre el calorímetre hadrònic. Aquestes cambres detecten el pas de qualsevol partícula carregada, però, donat que només els arriben muons, serveixen per tal d’identificar-los en l’esdeveniment. L’estratègia i disposició d’aquestes capes, junt amb els materials i tècniques aplicades per tal d’aconseguir els passos descrits anteriorment, són les que defineixen cada detector, la comunitat de físics del qual decideix on posar èmfasis o especialitzar-se. En el cas del LEP, quatre col·laboracions distintes exploten els seus resultats. Aquestes són Aleph, Delphi, L3 i Opal. Totes elles compleixen l’esquema descrit però amb particularitats molt específiques que justifiquen la seua construcció. Alguns amb tècniques de detecció més avantguardistes en la detecció de traces, Aleph i Delphi, o en calorimetria i muons, L3, o més convencionals respecte a tècniques ja més establertes, Opal, o amb gran poder per tal d’identificar partícules, Delphi. El conjunt de les característiques dels detectors constitueix l’aposta de cada col·laboració i defineix el potencial d’anàlisi de cadascun d’ells. L’estiu de 1989 el LEP comença a funcionar i aconsegueix les seues primeres col·lisions. En la tardor de 1989 es realitzen les primeres mesures, amb uns centenars d’esdeveniments, dels paràmetres del model estàndard. Cap sorpresa apareix en escena. En els anys vinents i fins al 2000, comptant amb milions d’esdeveniments, s’aprofundeix en aquests estudis fins a precisions mai assolides. A principis dels 90 ens trobem que un dels protocols del programari inventats i desenvolupats al CERN, utilitzat per tal de comunicar-se i intercanviar-se informació, sembla tenir bones utilitats en Internet i el seu ús comença a estendre’s en la societat. Rep el nom de web. Mentrestant, el nombre de neutrins lleugers s’ha establert finalment en tres. Les propietats dels bosons Zº i W± són examinades amb precisions molt altes. El gluó deixa de ser un concepte qualitatiu i incert i la seua presència es quantifica com mai no s’havia fet abans. El model estàndard es ratifica mitjançant molts i imaginatius tests que en alguns casos arriben a precisions del per mil. Se n’exclou qualsevol teoria alternativa al model estàndard en la regió d’energies coberta pel LEP. S’estableix la dependència de les constants d’acoblament i masses de les partícules amb l’escala energètica. Es limita l’existència del quark top a un rang de masses en concordança amb la seua posterior observació directa en el Tevatron (Fermilab, Chicago). Ja es pot dir que hi ha tres generacions de quarks si bé encara no entenem per què el tres és tan màgic. Només l’esmunyedís bosó de Higgs, tan important per tal d’entendre la generació de masses de partícules i l’existència del qual és necessària per tal d’acabar d’entendre el model estàndard, sembla escapar a l’observació. A hores d’ara, els estudis més recents del LEP semblen localitzar el bosó de Higgs sobre els 115 GeV però el fet no està totalment confirmat per tots els detectors i el LEP ja no pot augmentar més la seua energia, que ha forçat fins als 209 GeV. El seu descobriment potencial, o el d’altres partícules, si no es confirma en el LEP, queda per a una altra aventura més gran encara, potser el Tevatron a Fermilab, potser LHC al CERN, però aquesta serà una altra història. Actualment l’IFIC (Institut de Física Corpuscular), centre mixt de la Universitat de València i del CSIC, col·labora en el detector Delphi del LEP, on ha construït totalment els detectors TOF, que mesuren el temps de vol de les partícules, i parcialment el calorímetre electromagnètic, anomenat FEMC. L’IFIC participa també en el disseny i construcció del detector Atlas, un dels futurs detectors del LHC. Concretament està involucrat en el detector de traces de silici, l’anomenat SCT, i en el calorímetre hadrònic, TILECAL. |
«Les dimensions
Figura3: Esdeveniment simulat de producció de Higgs al LHC. En aquest cas el Higgs es desintegra a dos bosons Z que així mateix acaben donant dos quarks i un parell electró-positró. Els quarks en materialitzar-se originen hadrons formant dos feixos de partícules. Els impactes d’aquestes partícules donats pels detectors de traces permeten la seua reconstrucció. La parella electró-positró també deixa senyal en els detectors de traces i a més la seua energia es pot mesurar en el calorímetre electromagnètic.
«L’esmunyedís bosó de Figura 4: Mòdul de silici construït en l’IFIC.
Figura 5: Part electrònica del mòdul. |
