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LHC acelera sus primeros “átomos”

noviembre 26, 2018
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Los protones pueden ser el pan y la mantequilla del Gran Colisionador de Hadrones, pero eso no significa que no pueda desear sabores más exóticos de vez en cuando. El 25 de julio, por primera vez, los operadores inyectaron no solo núcleos atómicos, sino que condujeron átomos que contienen un solo electrón al LHC. Esta fue una de las primeras pruebas de prueba de una nueva idea llamada Gamma Factory, parte del proyecto Physics Beyond Colliders del CERN.

“Estamos investigando nuevas ideas sobre cómo podemos ampliar el actual programa de investigación e infraestructura del CERN”, dice Michaela Schaumann, ingeniera de LHC. “Descubrir qué es posible es el primer paso”.

Durante el funcionamiento normal, el LHC produce un flujo constante de colisiones de protones y protones. Durante aproximadamente cuatro semanas, justo antes del cierre anual de invierno, los científicos destruyen los núcleos atómicos. Pero durante un puñado de días al año, durante los períodos de desarrollo de la máquina, los físicos aceleradores prueban algo completamente nuevo.

Anteriormente, los investigadores aceleraron los núcleos de xenón en el LHC y probaron otros tipos de iones de plomo parcialmente despojados en el Super Proton Synchrotron, la segunda máquina más grande en el complejo acelerador del CERN.

“Este recorrido especial del LHC fue realmente el último paso en una serie de pruebas”, dice el físico Witold Krasny, quien está coordinando un grupo de aproximadamente 50 científicos para desarrollar nuevas formas de producir rayos gamma de alta energía.

La aceleración de los núcleos de plomo con un electrón restante puede ser un desafío debido a la delicadeza de estos átomos.

“Es realmente fácil quitar el electrón accidentalmente”, explica Schaumann. “Cuando eso sucede, el núcleo se estrella contra la pared del tubo de la viga porque su carga ya no está sincronizada con el campo magnético del LHC”.

Durante la primera ejecución, los operadores inyectaron 24 racimos de átomos y lograron un haz estable de baja energía dentro del LHC durante aproximadamente una hora. Luego aceleraron el LHC hasta su máxima potencia y mantuvieron la viga durante unos dos minutos antes de que se expulsara al vertedero de la viga.

“Si demasiadas partículas se salen de su curso, el LHC vacia automáticamente el rayo”, dice Schaumann. “Nuestra principal prioridad es proteger el LHC y sus imanes”.

Después de ejecutar los imanes durante el ciclo de reinicio, Schaumann y sus colegas lo intentaron de nuevo, esta vez con solo 6 racimos. Mantuvieron el haz circulando durante dos horas antes de tirarlo intencionalmente.

“Predijimos que la vida útil de este tipo especial de haz dentro del LHC sería de al menos 15 horas”, dice Krasny. “Nos sorprendió saber que la vida útil es de aproximadamente 40 horas”.

Los físicos están haciendo estas pruebas para ver si el LHC algún día podría funcionar como una fábrica de rayos gamma. En este escenario, los científicos dispararían los átomos circulantes con un láser, haciendo que el electrón saltara a un nivel de energía más alto. Cuando el electrón vuelve a caer, escupe una partícula de luz. En circunstancias normales, esta partícula de luz no sería muy energética, pero debido a que el átomo ya se estaría moviendo cerca de la velocidad de la luz, la energía del fotón emitido se incrementaría y su longitud de onda se comprimiría.

Estos rayos gamma tendrían suficiente energía para producir partículas de materia normal, como quarks, electrones e incluso muones. Debido a que la materia y la energía son dos caras de la misma moneda, estos rayos gamma de alta energía se transformarían en partículas masivas e incluso podrían transformarse en nuevos tipos de materia, como la materia oscura. También podrían ser la fuente de nuevos tipos de haces de partículas, como un haz de muones.

A pesar de que todavía está lejos, las pruebas de esta semana fueron un primer paso importante para ver qué es posible.

“La vida útil del haz realmente superó nuestras predicciones”, dijo Krasny. “Ahora la pregunta es si podemos preservar la misma vida útil del haz a una mayor intensidad optimizando la configuración del colimador, que todavía estaba configurada para los protones durante esta carrera especial”.