30/01/2013 - Jornadas de la Red Española de Futuros Aceleradores Lineales

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Los colisionadores lineales constituyen posiblemente la próxima generación de aceleradores tras el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, Large Hadron Collider). Estas nuevas máquinas permitirán  profundizar en los estudios realizados en el LHC arrojando luz sobre el conocimiento de la materia y las fuerzas que actúan sobre ella.

El 15 de diciembre se presentaron en Tokio los borradores de las memorias de diseño de una de las propuestas para estas máquinas, el llamado Colisionador Lineal Internacional (ILC, International Linear Colider) y sus posibles detectores. Este acelerador, de unos 31 km de longitud, producirá, por segundo, 14.000 colisiones de electrones y positrones a la energía de 500 GeV.  Para estudiar los productos de estas colisiones se han propuesto dos detectores denominados: ILD (International Large Detector, Gran Detector Internacional) y SiD (Silicon Detector, Detector de Silicio).

Un acelerador alternativo es CLIC (Compact Linear Collider, Colisionador Compacto Lineal) que potencialmente podría alcanzar energías mucho mayores pero cuya tecnología se encuentra menos desarrollada. A más largo plazo, CLIC podría convertirse en el sucesor del ILC.

La comunidad científica española, y en particular el CIEMAT, participan activamente, tanto en el diseño del acelerador como de los detectores.

En el ámbito de los detectores, uno de los retos más importantes es el de mejorar, en un factor dos, la resolución energética con respecto a los detectores actuales.  Estos detectores hacen uso de los llamados calorímetros, en los que la energía de las partículas se mide a través de su interacción con bloques densos de materia donde la partícula es absorbida y parte de su energía se transforma en una señal medible (carga eléctrica, luz, …) proporcional a la energía incidente.  Las partículas, en su interacción con el medio producen nuevas partículas que, a su vez, vuelven a interaccionar, y así sucesivamente, produciendo dentro del calorímetro una cascada de partículas cuyo tamaño depende del tipo y energía de la partícula inicial. En los llamados calorímetros de muestreo se intercalan capas de material absorbente, en las que se absorben las partículas incidentes produciéndose una cascada de nuevas partículas que en su mayor parte serán absorbidas dentro del material, con capas del medio de lectura en el que se produce la señal medible, capas en las que se encuentran los sensores capaces de recogerla.  Estas tecnologías tradicionales de calorimetría no permiten obtener la resolución energética necesaria, pero se ha visto que ésta podría alcanzarse haciendo uso de algoritmos de flujo de partículas, que combinan la información de los calorímetros hadrónico y electromagnético junto con el detector central de trazas -situado en la parte más interna del experimento-, que permite detectar las trayectorias de las partículas que lo atraviesan y medir su momento. Para ello se necesita que los calorímetros proporcionen información precisa no sólo de la energía depositada por la partícula sino también de su trayectoria.  Esta información puede obtenerse a través de la posición de los sensores que recogen las señales. Estos algoritmos ya se están usando en experimentos del LHC pero para llegar a las precisiones necesarias en el ILC se necesitan calorímetros con muy alta segmentación de lectura, tanto transversal como longitudinal, de modo que permitan distinguir las señales procedentes de dos partículas cercanas. Esta segmentación puede llegar a significar del orden de cien millones de canales de lectura, frente a las decenas de miles de los actuales calorímetros del LHC. Esto impone importantes retos desde el punto de vista electrónico y también mecánico dado que se requiere a su vez que los sistemas sean muy compactos al tener que estar localizados en el interior de un imán. 

A mediados de diciembre tuvieron lugar en Valencia las IX Jornadas de la Red Española de Futuros Aceleradores Lineales; Jornadas que tenían como objetivo la coordinación y puesta en común de las actividades que los grupos españoles desarrollan en aceleradores y detectores para un futuro colisionador lineal.

En estas IX Jornadas, el CIEMAT presentó los desarrollos de I+D del prototipo de un calorímetro hadrónico con lectura semidigital (SDHCAL, Semi-Digital Hadronic Calorimeter) que usa GRPC (Glass Resistive Plate Chambers) como medio activo y donde cada sensor realiza la lectura de 1x1 cm2. Además de la alta segmentación, lo novedoso de este calorímetro es que la lectura se realiza de modo semidigital contando cuántos y qué sensores superan cada umbral de señal en lugar de contabilizar la señal total recogida. Se presentaron los resultados preliminares obtenidos en las pruebas con haces de partículas en el CERN (European Organization for Nuclear Research, Laboratorio Europeo de Física de Partículas) de un prototipo SDHCAL, construido parcialmente en el CIEMAT, de 1m3 y cerca de medio millón de canales de lectura.

En estos desarrollos participan investigadores e ingenieros de la División de Física Experimental de Altas Energías del Departamento de Investigación Básica y de la Unidad de Electrónica del Departamento de Tecnología,  en coordinación con varios grupos de la colaboración internacional de I+D CALICE de la que el CIEMAT es miembro desde el año 2007. Esta colaboración está dedicada a la investigación y  desarrollo de diferentes calorímetros altamente segmentados para futuros colisionadores lineales.

Por otra parte, el grupo de Tecnología de Aceleradores, dentro de la Unidad de Ingeniería Eléctrica, también del Departamento de Tecnología del CIEMAT, presentó el estado de sus actividades en relación con el desarrollo de componentes para futuros colisionadores lineales, que incluyen equipos para los dos aceleradores mencionados ILC y CLIC.

Dentro de las actividades realizadas para el ILC, se incorporan, también, las que están en marcha para el Láser de Electrones Libres Europeo (E-XFEL, European X-Ray Laser Project XFEL) basado en un acelerador lineal que es conceptualmente similar al propuesto para ILC. En este sentido, se comentó el estado de los imanes combinados superconductores, los imanes desplazadores de fase, las mesas posicionadoras y la electrónica de control.

En relación con CLIC, el grupo ha tenido una destacada actividad en la realización de algunos componentes y muy especialmente en el desarrollo de los llamados PETS (Power Extraction Transfer Structures, Estructuras de transferencia de extracción de potencia ) que es clave para el funcionamiento de la máquina, basada en un principio de aceleración novedoso y completamente diferente al de ILC.

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