LHC fin del simulacro

El acelerador de partículas LHC no renuncia a su inauguración. Salvo suspensión de última hora, el próximo martes los representantes de los países miembros del CERN acudirán a una ceremonia oficial en la que no faltará la gastronomía de Ferran Adrià. María Chamizo, del CIEMAT, analiza los problemas y los primeros pasos del ingenio.

El LHC, el acelerador de partículas más poderoso del mundo, se puso en funcionamiento el pasado 10 de septiembre. El LHC está instalado en un túnel de 27 kms. de circunferencia en la frontera franco-suiza, a una profundidad que oscila entre 50 y 150 metros bajo tierra. Por este anillo se acelerarán protones, o iones de plomo, en sentidos opuestos a una velocidad cercana a la velocidad de la luz, en un vacío comparable al espacio sideral. En cuatro puntos del anillo se provocarán choques frontales entre los protones (o iones de plomo). El comienzo de una máquina de tales características no consiste simplemente en encender un interruptor. Para poder entender la complejidad del sistema es necesario hacer un repaso a los miles de componentes que lo forman.

El tamaño de un acelerador está relacionado con la máxima energía que se quiere conseguir; en el caso del LHC cada partícula tendrá una energía de 7 Tera-electronvoltios (TeV). Un TeV es más o menos la energía de un mosquito volando, pero un protón es aproximadamente tres billones de veces más pequeño. En un colisionador de estas características la energía depende del tamaño del acelerador y de la fuerza de los imanes bipolares que mantienen las partículas en su trayectoria. El LHC reutiliza el túnel de 27 kms. de circunferencia que se construyó para el acelerador anterior LEP (Large Electron Position). El diámetro es por tanto fijo y, en consecuencia, ha sido necesario utilizar los imanes más potentes que se han construido hasta la fecha.

Los sectores
El LHC no es un círculo perfecto. Está formado por ocho arcos y ocho rectas. Los arcos contienen los imanes bipolares (dipolos) que dirigen la trayectoria de las partículas y en las secciones rectas los componentes que se instalan son distintos dependiendo del uso que se vaya a dar a la sección: detectores para observar las colisiones, elementos necesarios para la extracción del haz, elementos para corregir el haz…

Los ocho sectores que integran el LHC son las unidades básicas que lo forman y constan de un arco y el equivalente a una sección recta. La instalación de los imanes se produce sector por sector y las pruebas de todo el equipamiento (hardware commissioning en inglés) se hacen por sectores. Los imanes que forman un de ellos están conectados entre sí y a un mismo sistema de refrigeración necesario para mantener los imanes a una temperatura de -271 grados bajo cero. En total, el LHC tiene unos 10.000 imanes de los que 1.600 son superconductores. Los imanes bipolares superconductores del LHC suponen el reto tecnológico más importante de los realizados para su diseño. En un acelerador de protones la máxima energía que se puede obtener es directamente proporcional a la fuerza del campo magnético, una vez que se ha fijado el tamaño del acelerador. Los dipolos generarán un campo magnético de 8.3 Teslas para que las partículas puedan alcanzar la energía de 7 Tera-electronvoltios. Este campo magnético no se hubiera podido obtener con imanes tradicionales. Cada dipolo mide 15 m. de largo y pesa unas 35 toneladas.

Habría que decir que los dipolos del LHC utilizan cables de Niobio-Titanio que se convierten en superconductores a una temperatura inferior a -264 grados bajo cero, es decir conducen la electricidad sin resistencia. El campo magnético necesario para dirigir los haces de partículas a la energía de 7 TeV sólo puede conseguirse cuando la corriente que se hace pasar por el cable de los imanes es de 11.700 amperios. Si los imanes funcionaran a temperaturas más elevadas, la corriente fundiría los cables a su paso.

Refrigeración
La temperatura a la que funcionan los imanes superconductores del LHC, -271 ºC, se obtiene utilizando un complejo sistema criogénico, el más grande del mundo, lo que hace del LHC uno del los lugares mas fríos sobre la Tierra. Para mantener a esta temperatura las 4.700 toneladas de material que hay en cada uno de los ocho sectores se utiliza helio líquido. El proceso de refrigeración ocurre en varias fases; primero el helio se enfría en unos refrigeradores hasta una temperatura de -193 grados bajo cero. A continuación, se baja aún más la temperatura utilizando unas turbinas y acto seguido se inyecta en los imanes. Una vez que éstos están rellenos de helio las unidades de refrigeración bajan la temperatura hasta los -271.3 ºC. En total hacen falta unas 120 toneladas de helio y el proceso de enfriamiento tarda varias semanas.

El comienzo de una máquina como el LHC no es simple. Las pruebas han sido largas y comenzaron con el enfriamiento de cada uno de los ocho sectores. A esto siguieron las pruebas eléctricas de los 1.600 imanes superconductores y sus sistemas de encendido individual hasta la corriente de operación nominal. A continuación se encendieron todos los circuitos de cada sector y más tarde los de los ocho sectores simultáneamente para operar como una máquina única. A finales de julio este trabajo estaba casi concluido, con los ocho sectores a su temperatura de operación (-271 ºC). La siguiente fase del proceso fue la sincronización del LHC con el super sincro-ciclotrón de protones (SPS), que es la última unión en la cadena de aceleradores inyectores del LHC. El tiempo entre las dos máquinas tiene que ser preciso hasta una mil-millonésima de segundo. La pruebas de sincronización se completaron con éxito el 25 de agosto cuando un único paquete compuesto por varias partículas recorrió la línea de de transferencia del SPS hasta el LHC y recorrió unos 3 kms. alrededor del LHC. Las pruebas de los haces que circulaban en sentido de las agujas del reloj y en sentido contrario formaban parte del procedimiento para preparar el LHC.

El primer haz
El 10 de septiembre el primer haz de protones del LHC circuló con éxito alrededor de los 27 kms. de circunferencia a una energía de 0.450 TeV. A lo largo del día ocurrió lo mismo con el haz que circula en sentido contrario a las agujas del reloj. Miles de elementos individuales funcionaron en armonía. Era el primer paso para poner en marcha el programa de investigación del LHC después de casi veinte años de preparación.

La energía nominal prevista para cada haz este año era de 5 TeV (11 veces mayor que la del día del comienzo del LHC, 0.45 TeV). Para ello era necesario aumentar la corriente en los imanes superconductores hasta alcanzar el campo magnético deseado. El día 19 de septiembre, durante las pruebas finales a alta corriente del sector 3-4, cuando no había haz circulando, ocurrió un incidente que dio lugar a una fuga de helio en el túnel del LHC. Las primeras investigaciones llevadas a cabo indican que la causa más probable del incidente fue una conexión eléctrica defectuosa entre dos de los imanes del acelerador.

Antes de poder establecer las causas definitivas del incidente el sector tiene que calentarse de -271 ºC a temperatura ambiente (25 ºC). El procedimiento para calentar el sector tarda varias semanas, lo mismo que para volver a enfriarlo, lo que unido al tiempo necesario para hacer la reparación supone unos dos meses de retraso. Por otra parte, el cierre anual del complejo de aceleradores del CERN para su mantenimiento es de noviembre a abril de cada año. De forma que los dos meses necesarios para reparar el LHC coinciden con el cierre anual del laboratorio. Por lo tanto será en primavera del año que viene cuando volvamos a ver los haces de protones circulando por el LHC y cuando se producirán las primeras colisiones que los físicos están ansiosos por estudiar.