Laboratorio UC termina primera fase del desarrollo de detectores para el mayor acelerador de partículas del mundo

Luego de varios años de trabajo colaborativo, los Laboratorios de Altas Energías de la Pontificia Universidad Católica de Chile y de la Universidad Técnica Federico Santa María (USM) lograron con éxito cumplir el primer hito del Upgrade 2020 del Detector de Muones del experimento ATLAS, en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC por su sigla en inglés), que busca mejorar las características de los detectores de partículas actuales.

De forma colaborativa, los grupos chilenos terminaron la construcción de 16 piezas que serán ensambladas en la primera rueda de la "Small Wheel", uno de los detectores del experimento diseñado para identificar el paso de partículas de muones (se trata de partículas elementales masivas, similares a los electrones) y su trayectoria. 

Chile es el único país latinoamericano que participa de la construcción de piezas del acelerador circular, lo que avala el alto estándar de calidad que puede alcanzar la ciencia e ingeniería nacional y su impacto en el desarrollo de la física de frontera.

El aporte del equipo de físicos e ingenieros chilenos complementa la producción de otras piezas para la "Small Wheel" realizadas en laboratorios de China, Israel, Rusia y Canadá.

El LHC y su impacto 

El LHC es un acelerador circular de partículas construido en las instalaciones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, (CERN), en Ginebra. Está construido en un túnel bajo tierra y tiene 32 km de largo. En su interior es posible colisionar protones y otras partículas a velocidades tan altas, que, por un instante, recrean el origen de la materia.

Este proyecto de colaboración internacional ha permitido afinar y mejorar el Modelo Estándar de la Física de Partículas, que busca describir los bloques fundamentales con los que está hecha la naturaleza (materia) y sus interacciones (fuerzas).

Actualmente, se postula que la materia está formada a partir de dos tipos de partículas: quarks y leptones,  y de las interacciones entre ellas, llamadas bosones de Gauge. La unión, en distintas proporciones, de estas partículas puede originar todo lo que existe en el Universo.

Gracias al LHC fue posible en 2012 comprobar la existencia del Bosón de Higgs, un tipo de interacción que es responsable del origen de la masa de las partículas elementales. Su hallazgo fue premiado con el Premio Nobel de Física.

¿Qué es ATLAS?

ATLAS es uno de los experimentos instalados dentro del LHC. Está compuesto por una especie de cilindro acostado en el eje del acelerador LHC en cuyo centro colisionan las partículas.

El experimento es capaz de identificar por dónde pasaron las partículas (momentum) gracias a detectores de trazas, y con qué energía lo hicieron, medido con calorímetros.

En la parte exterior del cilindro, tanto en las tapas como el manto, se encuentran los detectores de muones, partícula clave de la familia de los leptones en la que decae (o se transforma) un Bosón de Higgs, luego de unos instantes de existencia.

"El detector ATLAS es un experimento multipropósito. No se está buscando algo en concreto, sino que se observa la colisión de partículas para hacer hallazgos que permitan mejorar el Modelo Estándar de la Física de Partículas. Sabemos que el modelo no está listo, que hay información que nos falta descubrir, aunque no sabemos con certeza cuál es, ni cómo encontrarla. En este contexto, nuestra participación en el Upgrade 2020 del experimento es una responsabilidad enorme y un desafío de alto impacto, ya que estamos construyendo partes claves en la detección de muones y otras partículas ", explica Marco Aurelio Díaz, director del Laboratorio de Altas Energías UC.

¿Cómo funcionan los detectores "Made in Chile"?

Los detectores son piezas trapezoidales con bases de 750 y 350 mm, una altura de 1350 mm y el espesor de cada cámara es de tan solo 5,6mm. Cada uno de ellos está fabricado a partir de dos placas conductoras que son enlazadas con alambres en la USM.

Luego, estas son transportadas al Laboratorio de Altas Energías de la UC, donde se aplica una diferencia de potencial de 3000 volts y se completa el espacio intermedio entre las placas con un gas que combina Co2 con Pentano.

Los muones son partículas de gran masa, por lo que son capaces de cruzar las placas del detector, y ionizar el gas interior. Entonces, los electrones que se producen por esa ionización se van al terminal positivo y los iones se van al negativo, y se forma una pequeñísima corriente que es amplificada y procesada por electrónica, detectando la presencia de la partícula fundamental.

La eficiencia de los detectores desarrollados en el laboratorio son probados en el exterior, midiendo los muones que llegan a la superficie de la Tierra en los rayos cósmicos. Una vez aprobados, estos detectores son enviados al CERN, donde recientemente se ensamblaron en la primera etapa de la Small Wheel.

Durante 2020 desde Chile se enviarán las 16 piezas faltantes, además de algunos repuestos, para terminar en proceso de mejora del experimento. En la Universidad Católica el proyecto fue coordinado originalmente por el Dr. Sebastián Olivares y actualmente lo hace la nueva profesora de la Facultad de Física, Francisca Garay.

"La experiencia de colaborar con CERN desde Chile ha impactado en nuestra física e ingeniería nacional. Se ha logrado un entrenamiento de capital humano importante tanto en el análisis de los datos como en la construcción del hardware. Y si miramos a mediano plazo, la física chilena será parte de los futuros descubrimientos que se hagan en el LHC, que sin duda permitirán mejorar la comprensión que tenemos sobre el universo, su origen y composición", concluye el investigador.