Explicación de los principales sistemas de vacío del CERN 14 de diciembre de 2018
El estudio de la física de partículas se lleva a cabo en máquinas conocidas como aceleradores de partículas (o colisionadores de partículas). Estas máquinas utilizan enormes campos electromagnéticos para acelerar las partículas de protones a velocidades que se aproximan a la velocidad de la luz, enfocarlas en un haz fino y, a continuación, supervisar la materia que resulta de su colisión con otras partículas.
El acelerador de partículas más grande y potente del mundo
El acelerador de partículas más grande y potente del mundo, el Large Hadron Collider (LHC), comenzó a funcionar en 2008 y está gestionado por el CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), el centro líder mundial para la colaboración internacional en investigación nuclear.
Una de las principales actividades del CERN es llevar a cabo estas colisiones de partículas dentro de una serie de túneles que limitan con Francia y Suiza.
Estos túneles (y el equipo y la planta asociados) actúan como un laboratorio de investigación nuclear a gran escala, en el que los protones son aceleradores alrededor de un bucle de 27 km utilizando imanes criogénicamente enfriados y superconductores mantenidos a temperaturas más frías que las del espacio exterior.
Estos haces de protones de alta velocidad se canalizan en una cámara de detección donde colisionan con una “nube” de protones en un vacío ultraalto. La “materia exótica” resultante que se derrama de esta colisión es de corta duración, pero, a pesar de ello, los productos de decaimiento pueden contarnos sobre los bloques de construcción de tamaño subatómico a partir de los que se forma la materia y, por lo tanto, la física fundamental que compone y controla casi todo en nuestro universo.
A lo largo de los años, el CERN ha evolucionado a través de numerosas actualizaciones. Cada evolución se basa en los éxitos de las etapas anteriores. Cada iteración refleja los objetivos más ambiciosos del CERN, a medida que se alcanzan los objetivos anteriores y los científicos obtienen aún más información sobre el fascinante mundo de las partículas subatómicas.
La actualización más reciente de la historia del CERN es el High-Luminosity LHC (HL-LHC), que se basa (entre otras cosas) en el principio de que se pueden lograr más colisiones cuando los haces de partículas impactan frontalmente, en lugar de en un ángulo. Este cambio de orientación producirá más colisiones de partículas y, por lo tanto, más datos para ayudar a los científicos a desvelar aún más misterios del universo.
Mientras que el LHC puede gestionar mil millones de colisiones de protones por segundo, el HL-LHC actualizado tiene como objetivo siete veces este número, lo que produce un aumento de diez veces en los datos recopilados. Esto se logrará enfocando el haz de protones circulantes aún más estrechamente utilizando un nuevo banco de 120 imanes, incluidos 24 cuadrupolos superconductores y cuatro dipolos superconductores. Estos nuevos imanes aumentan la intensidad de campo de 8,1 a 11,5 teslas. Este trabajo se completará a más tardar en 2026.
El LHC, junto con los detectores y otros experimentos clave del CERN, requiere condiciones de vacío ultraalto durante su funcionamiento. Los principales sistemas de vacío del CERN son el vacío de haz y el vacío de aislamiento para los potentes imanes superconductores.
El vacío del haz debe estar a un nivel de vacío ultraalto para proporcionar una buena vida útil del haz y un bajo fondo para los experimentos. Se están utilizando mecanismos de bombeo criogénico (donde las moléculas de gas residual se fisiosorben en la superficie de perforación fría a 1,9 K) y de bombeo de gotero no evaporable (NEG) (donde las moléculas de gas residual se adsorben químicamente en la superficie de los tubos del haz).
El vacío de aislamiento de los imanes superconductores, enfriados con helio líquido a 1,9 K (aprox. -271 °C), debe garantizar un buen aislamiento térmico del sistema de refrigeración para mantener las bajas temperaturas.
Las principales tecnologías de bombas de alto y ultra alto vacío que se utilizan en el LHC son las bombas de iones y las bombas turbomoleculares, que también tienen que hacer frente a desafíos operativos específicos, como la tolerancia a altos niveles de radiación y campos magnéticos.
Para que los sistemas de vacío de estas dimensiones funcionen de forma fiable, también es necesario garantizar la estanqueidad. La detección de fugas durante el montaje del LHC fue sin duda el mayor reto para los desarrolladores y operadores de detectores de fugas. ¡Nunca se han examinado tantas juntas en una sola máquina!
Las actualizaciones del LHC al HL-LHC conducirán a un aumento del 20-30 % en el descubrimiento de nuevas partículas, así como a garantizar la viabilidad de todo el proyecto de LHC hasta 2040.
