Agosto 10, 2021
Por UNAM
El detector FV0 fue diseñado y construido en el Instituto de Física, principalmente para reproducir materia con la densidad que debió tener el Universo cuando tenía un microsegundo de vida
El 21 de junio de 2021 se montó el detector FV0 en el proyecto Gran Colisionador de Iones (ALICE, por sus siglas en inglés), experimento de detección del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), donde el Centro Europeo para la Investigación Nuclear (CERN) descubrió la llamada “partícula de Dios” en 2012.
Fue un hecho casi heroico, dice el doctor Arturo Menchaca, del Instituto de Física de la UNAM (IFUNAM). En tiempo récord, un año, el detector FV0 fue diseñado y construido por los doctores Varlen Grabski y Ruben Alfaro Molina, así como por Saúl Aguilar y estudiantes de posgrado, todos del IFUNAM.
Después de una segunda corrida de partículas subatómicas, hace tres años se desmanteló ALICE, experimento que forma parte del LHC, para la construcción, prueba y reinstalación de subdetectores.
Después de una corrida, se obtienen los datos para analizarlos, y se detiene el Gran Colisionar de Hadrones (Large Hadron Collider o LHC) para mejorar el acelerador y los detectores.
El FV0 hecho en la UNAM es una de las tres tecnologías de detección que integran el Gatillo de Interacción Rápida (FIT, por sus siglas en inglés) de ALICE. Las otros dos son el FT0 y el FDD.
El FT0 es un detector más pequeño, pero con una resolución temporal cuatro veces mejor que el FV0 (0.050 ps). También tiene una mejor resolución espacial, pero en una zona mucho más pequeña. El FT0 genera el gatillo más rápido para ALICE, y provee información adicional sobre el conjunto de partículas que viajan cerca del haz producto de colisiones rasantes. Este instrumento fue construido por el Instituto Ruso de Investigación Nuclear.
El FDD o Detector de Difracción Directa marca procesos difractivos o inducidos por fotones. Ofrece información relevante para el estudio de las colisiones rasantes. Son dos sistemas de detección ubicados a los lados de ALICE, construidos por investigadores del CINVESTAV, de la BUAP y de las universidades autónomas de Sonora y Sinaloa, entre otras.
Disco de plástico centellador
“Colosal y muy aceptado por el CERN”, agrega Menchaca, el FV0 es el más grande de los tres componentes del Gatillo de Interacción Rápida. Fue financiado con apoyo de la UNAM y del Conacyt.
El FV0 del IFUNAM, agrega el doctor Grabski, es un detector de segunda generación o centellador segmentado con un innovador esquema de recolección de luz.
Es un disco de plástico centellador que mide 1.5 metros de diámetro, pesa 300 kilos y utiliza 50 mil fibras ópticas. Duplica la superficie del V0 de primera generación. Y permitirá detectar —con mayor precisión y en una fracción de 200 picosegundos (ps)— los choques de partículas, así como reducir la radiación de fondo.
La resolución temporal del V0 o lapso entre eventos consecutivos detectados es de 200 ps. Un picosegundo es la billonésima parte de un segundo (.000000000001’).
Para Menchaca, este detector, que coloca a México “en la frontera del reto instrumental a nivel de física básica”, permitirá medir el tiempo con mayor precisión.
El FV0, apunta Grabski, es importante para el disparo del gatillo porque va a definir cómo chocan las partículas subatómicas (iones de plomo) y será también clave en la definición del ángulo de acción.
Será también “vital para extraer la centralidad y determinar el plano del evento, parámetros claves que caracterizan una colisión de iones pesados”, dice un comunicado del CERN.
En general, cumple funciones vitales para el Gran Colisionador de Hadrones, como proveer la señal de disparo para ALICE, discernir eventos que sean de interés o no, medir la multiplicidad de partículas cargadas en las colisiones y contar los eventos producidos.
Además de su bajo costo económico en comparación con otros detectores de su especie, si funciona bien, el diseño del FV0 servirá para otros experimentos, apunta Grabski.
Eso se sabrá después de la tercera corrida o ejecución de ALICE (dura un año), cuyo inicio está programado para fines de febrero de 2022.
El laboratorio más frío del Universo
El Gran Colisionar de Hadrones opera desde 2008, en un circuito de 26 kilómetros bajo la frontera franco-Suiza. Es el anillo circular de imanes superconductores más grande del mundo.
En ese circuito, mediante los imanes, se obliga a las partículas (protones o núcleos, denominados hadrones) a seguir trayectorias cerradas.
Sus 2000 imanes son enfriados con helio líquido, cuya temperatura es de 2 grados kelvin (-271 grados centígrados), cercana al cero absoluto.
Los imanes requieren tal cantidad de helio líquido, que lo transforman en el laboratorio con el volumen frío más grande de la Tierra y, tal vez, del Universo, señala Menchaca.
El mismo LHC genera las partículas y, a una velocidad cercana a la de la luz, las hace correr y chocar. Al colisionar, los hadrones son blanco unos de los otros.
Cuando chocan las partículas, la densidad de energía que se logra es superior (por mucho) a la del sol. En realidad, se asemeja a la que debió tener el Big Bang, supone el investigador del IFUNAM.
Para que las partículas viajen libremente (sin chocar con otras partículas), es necesario que el tubo en que lo hacen se encuentre a un nivel de vacío tal, que llega a ser similar al del espacio interplanetario
Esas colisiones entre iones (directas o de rozón, así como su ángulo de difracción y otros eventos), son registradas por los detectores FV0 de la UNAM, el FT0 y el FDD, ubicados en el anillo del Gatillo de Interacción Rápida de ALICE.
Con ALICE (uno de los ocho experimentos con detectores del LHC), los físicos estudian la materia que interactúa fuertemente en densidades de energía extrema, donde se forma el llamado plasma de quark-gluón, estado de la materia que —es una hipótesis— se formó justo después del Big Bang.
Experimentalmente, apunta Menchaca, en el LHC se puede reproducir la física que ocurrió cuando la edad del Universo era de un microsegundo (t=0.000001 s).
A partir de allí, los teóricos han podido deducir con bastante certeza lo que debió pasar en la “transición electro débil” (t=0.000000001 s = 0.1 ns), cuando aparece el bosón de Higgs.
Antes de ello, todavía no sabemos cuáles fueron los componentes del Universo, pero con el LHC y los futuros aceleradores se espera empujar esa frontera hacia tiempos más pequeños.
En busca de la antimateria
La colaboración del IFUNAM con el CERN comenzó, a invitación del doctor Samuel Ting, premio Nobel de Física 1976, con la construcción de AMS, un espectrómetro de masas que fue montado en la Estación Espacial Internacional para buscar antimateria en el Universo.
En el Universo, sostiene Menchaca, no hay tanta antimateria como predice la Física. Si la hubiera, ya nos habría aniquilado. Porque al chocar antimateria y materia, se aniquilan y generan energía.
En el origen del Universo, cuando ocurrió el Big Bang, debió crearse tanta antimateria como materia. Pero la astronomía y la cosmología indican que hoy hay poca antimateria. ¿Por qué desapareció? Es una pregunta fundamental en las investigaciones que se realizan en el LHC.
Entender cómo se produce la antimateria en el cosmos, requiere hacer experimentos en la Tierra. Por eso fuimos invitados al LCH, donde se pueden reproducir fenómenos que ocurren en el cosmos, pero a nivel terrestre y donde contribuimos con el detector FV0 para ALICE.
—¿Qué estudia el IFUNUM específicamente en el proyecto o detector ALICE?
ALICE, contesta Menchaca, es un proyecto experimental compuesto por una veintena de detectores, entre ellos el V0A, y ahora el FV0, ambos construidos en la UNAM.
El FV0 fue construido principalmente para reproducir materia con la densidad que debió tener el Universo cuando tenía un microsegundo de vida. Esto se logra haciendo chocar entre sí a núcleos pesados (de plomo, por ejemplo) a la mayor energía posible (es genera por LHC)
Se trataba de reproducir un estado de la materia llamada plasma constituido por cuarks y gluones. Conocer su comportamiento dinámico permitiera entender la evolución posterior del Universo.
Al inicio se pensaba que se comportaría como un gas. Hoy sabemos que se comporta “colectivamente”, como si fuera un líquido.
Nosotros estudiamos los mecanismos de producción de núcleos que ocurren una vez que el plasma se ha enfriado lo suficiente. Algo parecido debió ocurrirle a la materia del Big Bang, salvo por el hecho de que en las colisiones del LHC también se producen anti-núcleos.
Esto nos permite predecir la cantidad de anti-núcleos que se deberían detectar en un experimento denominado AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) que se encuentra instalado en la Estación Espacial Internacional, del cual nuestro grupo también es colaborador.
