La historia del gran colisionador de electrones y positrones (LEP) del CERN

Túnel del LEP e imanes (arriba) y uno de los detectores (abajo). (C) CERN

Un amigo me ha preguntado: la historia del LHC está siendo muy accidentada, ¿cómo fue la historia del LEP? La verdad es que sólo recuerdo algunos detalles de la historia final del LEP2 cuando estuvo a punto de encontrar al bosón de Higgs (se observó una señal con 3 desviaciones típicas cuando un descubrimiento requiere 5 desviaciones típicas). Permitidme una breve entrada en la que repasemos la historia del LEP del CERN siguiendo la descripción del artículo de Ralph Aßmann, Mike Lamont, Steve Myers (LEP team), “A Brief History of the LEP Collider,” Nuclear Physics B – Proceedings Supplements 109: 17-31, June 2002 (Proceedings of the 7th Topical Seminar). También recurriré a los “History highlights” del CERN.

El gran colisionador de electrones y positrones LEP (Large Electron Positron collider) del CERN fue clausurado en noviembre de 2000, tras casi 12 años de operación. El colisionador protón-antiprotón SPS del CERN observó por primera vez en 1982 los bosones vectoriales masivos de la teoría electrodébil, el Z0 neutro y los W± cargados. LEP fue diseñado como una máquina para estudiar en detalle dichos bosones vectoriales procediendo en dos etapas: LEP1 y LEP2, diseñadas para alcanzar una energía máxima por haz de 55 y 95 GeV, respectivamente, ya que la producción del Z0 requería que cada haz tuviera una energía mínima de 45’6 GeV y la de los W± una energía mínima de 80’5 GeV. LEP1 utilizaba 5176 imanes, 128 cavidades de aceleración y contenía cuatro detectores ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL. LEP2 contenía 288 cavidades de aceleración superconductoras adicionales con objeto de lograr doblar su energía de operación. La etapa final del funcionamiento del LEP2 se centró en la búsqueda del bosón de Higgs para lo que se incrementó la energía por haz de 80’5 a 104’5 GeV progresivamente entre 1996 y 2000, logrando descartar un Higgs con una masa menor de 95 GeV/c² en 1998 y menor de 114’4 GeV/c² en noviembre de 2000.

Los primeros haces de partículas en el LEP1 se inyectaron el 14 de julio de 1989 tras 6 años de construcción, que se inició el 13 de septiembre de 1983. La excavación del túnel de 27 km de circunferencia que albergó el LEP se inició en febrero de 1985 y su construcción requirió tres años de trabajo. El 23 de julio de 1989 los haces de partículas ya circulaban por todo el anillo y el 4 de agosto se logró que uno de los haces alcanzara 45’6 GeV. Las primeras colisiones y los primeros bosones Z0 se produjeron el 13 de agosto de 1989.

El primer año de operación, 1990, fue más complicado de lo esperado. Los haces de partículas no estaban suficientemente colimados (la anchura de los haces era más grande de lo deseado) y se probaron varios diseños diferentes de la óptica de enfoque. Los problemas de colimación continuaron en 1991 y en 1992, cuando se probó sin éxito una óptica 90º/90º para sustituir a la original de 60º/60º. Fue un desastre ya que inestabilizaba los haces, por lo que se acabó usando una óptica mixta 90º/60º en 1993, que se mantuvo hasta 1998. Fueron momentos duros para los físicos e ingenieros del CERN los primeros 3 años del LEP. En 1993 las aguas empezaron a calmarse y el sistema de control definitivo de los haces estaba ya puesto a punto. Se inició entonces un estudio detallado de la física del bosón Z0 durante 3 años.

El año 1996 iba a ser un año de transición hacia LEP2 pero se inició con un incidente frustrante, dos botellas de cerveza Heineken se encontraron en una cámara de vacío e impidieron el reinicio normal de las operaciones. Se cambió a una óptica de 108º/60º, más adecuada para LEP2, pero fue imposible calibrar los detectores por lo que hubo que retornar a una de 90º/60º. Se incrementó la energía por haz hasta los 80’5 GeV y se probó una óptica de 108º/90º que también dio peores resultados que la 90º/60º. El año 1997 también se inició con retraso debido a un incendio en las instalaciones de superficie. Se trabajó con una óptica 90º/60º pero se hicieron pruebas con una óptica 102º/90º, que acabaría siendo la definitiva para LEP2, con la que se alcanzaría en 1998 una energía por haz de 94’5 GeV y de 101 GeV en 1999.

En el año 2000 el LEP2 había alcanzado los límites para los que había sido diseñado y el bosón de Higgs no aparecía. La instalación del LHC en el mismo túnel requería que LEP2 fuera desmantelado. Muchos físicos pensaban que tenían el Higgs en “la punta de la lengua.” Tratando de maximizar las posibilidades de encontrarlo se llegó a alcanzar una energía máxima por haz de 104’5 GeV. En junio de 2000 el detector Aleph detectó una señal que apuntaba a un bosón de Higgs con una masa de 115 GeV/c². En septiembre de 2000 la señal era aún más clara y se solicitaron 2 meses más de operación, pero sólo se concedieron 6 semanas. Tras este periodo la evidencia de un bosón de Higgs con dicha masa alcanzó 2’9 σ (se necesitan 5 σ para proclamar un descubrimiento). El 8 de noviembre de 2000, LEP2 fue definitivamente clausurado.

5 pensamientos en “La historia del gran colisionador de electrones y positrones (LEP) del CERN

    • Obviamente, no. Para los pocos que no lo sepan, los dos comparten el mismo túnel subterráneo y parte de las mismas instalaciones en superficie en el CERN pero son dos laboratorios/experimentos completamente diferentes. En LEP colisionaban leptones (electrones y antielectrones (positrones) que son partículas elementales) mientras que en LHC colisionan hadrones (protones (núcleos de Hidrógeno) contra protones que no son partículas elementales porque están compuestos de quarks y gluones). En LEP las colisiones eran “limpias” pero en el LHC (y el Tevatrón) son “muy sucias” (en realidad colisionan partones contra partones, los constituyentes del protón). LEP tenía 4 detectores o experimentos (como dice la entrada ALEPH, DELPHI, L3 y OPAL). En el LHC los experimentos principales (siempre, como mínimo, tienen que estar duplicados con detectores con tecnología diferente) son ATLAS y CMS. Además, LHC contiene los experimentos LHCb y ALICE, y los “pequeños” experimentos TOTEM y LHCf.

      Aunque LEP y LHC comparten que son experimentos que se realizan en el CERN, cerca de Ginebra, la tecnología de ambos experimentos es completamente diferente y tienen muy pocas cosas en común.

      Quizás tu duda venga de ¿por qué el LHC no es un LEP de alta energía? El problema de los aceleradores de partículas circulares para leptones es la radiación sincrotrón. Los leptones tienen poca masa y las pérdidas por radiación sincrotrón harían inviable un acelerador con un túnel circular para leptones. Es necesario utilizar aceleradores lineales (como SLAC). En el LHC se usan hadrones porque la radiación sincrotrón dependen del inverso de la masa al cuadrado (1/m2) y para un hadrón es mucho menor que para un leptón.

  1. La percepción que tenemos los físicos que estuvimos participando en los experimentos del LEP, con respecto a su comportamiento, es muy positiva. LEP-1 estaba diseñado para hacer un estudio altamente preciso de las propiedades de la interacción débil, particularmente el bosón Z. Y poco tiempo después de iniciar su funcionamiento, el Z había sido producido en grandes cantidades y sus propiedades habían sido estudiadas con altísima precisión. Entre 1989 y 1991 las propiedades del Z (masa y anchura, en particular) estaban publicadas con resultados impresionantemente precisos. Con tal precisión, LEP pudo determinar que el número de familias de neutrinos ligeros eran 3. Con sus resultados de gran precisión, en las colaboraciones del LEP se pudo predecir de forma indirecta la masa del quark top, que fue observado directamente, por primera vez, en 1995, en el Tevatron, confirmando los resultados del LEP.

    La segunda fase del LEP, con el doble de energía, estuvo más dirigida al estudio de la producción de pares de bosones W y su estudio preciso fue realizado con similar efectividad.

    Ciertamente, el Higgs no se observó y se pusieron cotas a su masa.

    Pero puede decirse que el LEP cumplió muy bien sus objetivos y fue actor principal en la confirmación de modelo estándar electrodébil y medida precisa de sus parámetros.

    Naturalmente, Tevatron y LHC, al ser aceleradores hadrónicos, producen sucesos más “sucios” y la calibración y puesta a punto de los experimentos es más costoso. Pero esperamos que en poco tiempo el LHC esté funcionando adecuadamente y los experimentos realizando sus tareas de calibración y conocimiento del comportamiento de sus detectores, con alta fiabilidad. Luego vendrá la física, interesante, sin lugar a duda.

    • Pero con el LEP no se pudo observar que la masa del neutrino es ínfima, pero no nula. Así, aunque el LEP verificó las predicciones del modelo estándar con gran precisión, no sirvió para refinarlo.

      • Tienes razon en que no observó que los neutrinos tienen masa, pero ese efecto está, en sentido estricto, fuera del modelo estándar.

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