viernes, 8 de agosto de 2008

El gran colisionador de hadrones (LHC) VI: LHCb

Dejando atrás a los experimentos ATLAS y CMS, continuare en esta ocasión con LHCb.


LHCb
Large Hadron Collider beauty (belleza del Gran Colisionador de Hadrones)

El detector de partículas LHCb esta situado en uno de los cuatro puntos alrededor del colisionador de hadrones, donde recordemos, a finales de año los haces de protones al chocar producirán nuevas partículas.

Sus dimensiones son de 21 metros de longitud, 13 metros de anchura y 10 metros de altura. Tiene un peso de 5,600 toneladas.
Ubicación de cada uno de los experimentos que tendrán lugar en el LHC, en el lado izquierdo se aprecia el detector LHCb. Propiedad del CERN.

El objetivo de este experimento es registrar la desintegración de partículas que contienen quarks b y anti-b, también conocidos como "mesones B". Su diseño es especifico para detectar y filtrar estas partículas y los productos de su descomposición.

Se espera que los datos que aporte ayuden a entender porque si en un inicio, luego del Big-Bang se formaron cantidades iguales de materia y antimateria, a medida que el Universo se expandió y enfrío, su composición cambio. Apenas un segundo después del Big-Bang, la antimateria había desaparecido dejando lugar a la materia que forma todo lo que vemos alrededor. LHCb es un experimento creado para explorar lo que sucedió después del Big-Bang que permitió crear el Universo que habitamos hoy.

Para lograr esto, en lugar de que los mesones B y sus partículas en descomposición se dirijan hacia todas las direcciones resultado de las colisiones, serán conducidos dentro del túnel para ser analizados por los detectores.

El LHCb cuenta con subdetectores ubicados a lo largo de los 21 metros que cubren del túnel del colisionador. Cada uno de los subdetectores esta especializado en detectar características de las partículas producidas al chocar protones. En conjunto los subdetectores proporcionan información sobre la identidad, trayectoria, impulso y energía de cada partícula generada.

Los haces de protones pasarán a través del detector, en condiciones de seguridad dentro de un tubo de berilio. Sera dentro del subdetector VELO (vertex locator-detector de vértices) donde se identifiquen las partículas que contienen quarks b y anti-b.

VELO se encargará de seleccionar los mesones B de las otras partículas, una tarea difícil dado su corta vida. Para encontrarlos se usaran sensores compuestos de detectores de silicio que deberán estar colocados entre el punto que se forman los mesones B y el punto donde se desintegran.

Enseguida del detector de vértices, están los subdetectores RICH (Ring Imaging Cherenkov-Detectores de radiación Cherenkov) situados a ambos lados del imán del LHCb, que mediran la radiación Cherenkov, fenómeno producido cuando una partícula cargada electromagnéticamente pasa a través de un determinado medio (en este caso, un denso gas) más rápido que un haz de luz. A medida que la partícula viaja emite luz que el detector reflejara en un conjunto de sensores usando espejos. Los detectores RICH identificarán las partículas que resulten de la descomposición de mesones B, incluidos piones, kaones y protones

Para ayudar a identificar las partículas producidas cuando los protones choquen, los detectores incluyen un imán, el LHCb no es la excepción al incluir un imán que consta de dos bobinas y 27 toneladas de peso que están montados sobre 1450 toneladas de acero.

Las partículas usualmente viajan en líneas rectas, pero la presencia del campo magnético producido por el imán hace que las trayectorias sean curvas, con variaciones positivas y negativas en las partículas al desplazarse en direcciones opuestas. Los científicos al examinar la curvatura es posible que calculen el impulso de una partícula y por lo tanto establezcan su identidad.

A grandes alturas los aviones son sólo visibles desde el suelo por los senderos de vapor de agua que dejan atrás. Las partículas cargadas, como electrones y protones, también dejan ciertos senderos cuando atraviesan determinadas sustancias, que permite a los científicos seguir su movimiento. Los trackers (rastreadores) son dispositivos diseñados para registrar la trayectoria de cada partícula que pasa por el detector, que ayuda a unir las señales que quedan en el detector de otras partículas lo que es crucial para reconstruir mesones B a partir de sus descomposición.

El sistema de seguimiento del LHCb consiste en una serie de cuatro grandes estaciones rectangulares, cada una con una superficie de 40 m2. Se emplean dos tipos diferentes de detectores, uno el rastreador de silicio que se encuentra cerca de las tuberías por las que atraviesan los haces, emplea detectores de silicio para detectar las partículas que atraviesan. Las partículas cargadas al chocar con los átomos de silicio, liberan electrones y crean una corriente eléctrica que indica la ruta de la partícula original.

El otro detector es el rastreador exterior, se encuentra más lejos de las tuberías y se compone de tubos llenos de gases (mezcla de argón [70%] con dióxido de carbono [30%]). Cada vez que una partícula cargada atraviesa, se ioniza las moléculas de gases, produciendo electrones. Para reconocer las partículas se parte del tiempo que emplean los electrones para llegar al ánodo de alambre que esta al centro de cada tubo.

Los calorímetros son sistemas diseñados para detener las partículas que pasan por el detector, midiendo la perdida de energía. El LHCb emplea dos tipos de calorímetros: calorímetro electromagnético que mide la energía de la partículas más ligeras, como electrones y fotones, mientras el llamado calorímetro hadrónico mide la energía que contienen protones, neutrones y otras partículas que contienen quarks.

El sistema de calorímetros se compone de una estructura en capas, similar a un sándwich, donde se alternan capas de metal y de plástico con los calorímetros. Cuando las partículas golpean las placas de metal, se produce una lluvia de partículas secundarias, que excitan las moléculas de poliestireno en las placas de plástico, emitiendo luz ultravioleta. La cantidad de radiación ultravioleta es proporcional a la energía de las partículas que entran en el calorímetro.Los calorímetros son la principal forma de identificar partículas que no poseen carga eléctrica como los fotones o los neutrones.

El subdetector más eterno, el sistema de muones, esta formado por cinco estaciones rectangulares. que aumentan gradualmente de tamaño y que combinados cubren una área de 435 m2, que servirán para detectar muones, partículas que están presentes en las etapas finales de muchos mesones B, en su descomposición. Cada estación contiene cámaras llenas de una combinación de tres gases: dióxido de carbono, argón y tetrafluorometano. Los muones reaccionan con esta combinación y los electrodos de alambre detectan los resultados.
Esquema del LHCb (Large Hadron Collider beauty, belleza del Gran Colisionador de Hadrones). Propiedad de CERN. Clic para ampliar.

Al estar en marcha y pleno funcionamiento, se tendrá un registro aproximado de 10 millones de colisiones de protones por segundo. La grabación de todos estos eventos, resulta practicamente imposible dado la limitada capacidad de almacenamiento. Para tener mayor certeza en la recolección de resultados se emplea un sistema electrónico llamado "triger".

Triger funciona en dos niveles. El primer adaptado en tiempo real hace uso de VELO, calorímetros y el sistema de muones. Selecciona un millón de eventos, descartando los otros 9 millones. Este primer nivel actúa a una velocidad de cuatro millonésimas de segundo.

Después del filtrado por el primer nivel de activación, la cantidad de datos es de 35 Gigabytes que se almacenan en las computadoras ubicadas en el fondo del LHCb. Las computadoras seleccionan eventos interesantes para su posterior análisis, resultando escogidos tan solo 2000, en este segundo nivel actúa a una vigésima parte de un segundo.

Con información de CERN | LHCCountdown | LHC | LHCb

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