Superkekb, electrones contra positrones

Los científicos llaman ‘luminosidad’ a la medida del número de colisiones entre partículas. Y Superkekb, el acelerador que acaba de arrancar en Japón quiere ser el más ‘luminoso’. El Instituto de Física Corpuscular, el Instituto de Física de Cantabria e Itainnova participan en el diseño, construcción, instalación y operación de uno de los nuevos detectores para el experimento Belle II.

Acelerador Superkekb (rosa) y detector Belle II (azul), en la zona de interacción entre haces

Aspira a batir el récord de colisiones entre partículas por segundo y acaba de ponerse en marcha. El pasado 26 de abril, los electrones y sus antipartículas, los positrones, acelerados y almacenados por el acelerador Superkekb, colisionaron por primera vez. Esta gran máquina está en Tsukuba (Japón), pero tres centros españoles –el Instituto de Física Corpuscular, el Instituto de Física de Cantabria y el Instituto Tecnológico de Aragón– participan en este experimento, que busca respuestas a por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria.

El detector Belle II ha sido diseñado y construido por una colaboración internacional de más de 750 investigadores de 25 países, entre ellos España. Comparado con su predecesor (Belle), el nuevo detector ha mejorado enormemente su capacidad, y puede detectar y reconstruir eventos a una velocidad mucho mayor.

A diferencia del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Ginebra (Suiza), el mayor y más potente acelerador de protones del mundo, Superkekb está diseñado para ser el acelerador con mayor luminosidad, una medida del número de colisiones potenciales en un acelerador por unidad de superficie en un periodo de tiempo. Así, Superkekb lidera lo que se llama ‘frontera de la luminosidad’, y espera batir el récord logrado por su antecesor KEKB en 2009.

Concretamente, se espera obtener 50.000 millones de eventos de colisiones entre mesones B y anti-B (partículas compuestas por un quark y un antiquark b), 50 veces más que el total de datos obtenido en el anterior proyecto Kekb/Belle, que funcionó durante 10 años.

Hace 12 días, el detector Belle II registró la aniquilación que se produjo entre los haces de electrones y positrones, y que generó otras partículas, incluyendo parejas de quarks y antiquarks beauty (‘belleza’ o simplemente b), uno de los quarks más pesados.

<div class="tit_blue">Pequeñas señales eléctricas a salvo del ruido electromagnético</div>"Detectar las primeras colisiones es un gran logro de los equipos involucrados en el proceso de puesta a punto de los haces durante los pasados meses", asegura Carlos Mariñas, doctor por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Valencia, y actualmente en la Universidad de Bonn como coordinador adjunto del funcionamiento de Belle II. "La gran experiencia de los físicos de aceleradores japoneses nos ha llevado a este punto en muy poco tiempo, permitiéndonos encender progresivamente Belle II sin riesgo para el experimento. Ahora está en manos de los físicos que trabajan en el detector sacar lo mejor del potencial de descubrimiento que esta excepcional máquina pone a nuestro alcance, y estamos dispuestos a aceptar el reto", concluye.

Itainnova lleva seis años colaborando en el experimento Belle II. Su trabajo se centra en el control del ruido electromagnético, que permite asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos del experimento. Concretamente para dos de sus detectores: Depfet y el detector de vértice de silicio (SVD). Para ello se realizó por vez primera en el centro la medida de los niveles de susceptibilidad de un detector de píxeles en una cámara semianecoica (apantallada electromagnéticamente).

El grupo de sistemas eléctricos del instituto lleva años especializado en el diseño de sistemas eléctricos de alta eficiencia y bajo ruido electromagnético. Algo clave aquí. Si el ruido electromagnético no estuviera bajo control, "simplemente no se podrían estudiar las diferencias entre materia y antimateria, que es para lo que se ha diseñado y construido el experimento Belle II", indica Fernando Arteche, coordinador de Tecnología de Itainnova. "Los detectores miden el paso y la energía de las partículas mediante sensores que producen señales eléctricas muy pequeñas", explica. Tan pequeñas que "cualquier interferencia electromagnética (radiada o conducida) podría perturbarlas". Por lo tanto, "si no se pudiera controlar el ruido electromagnético en un detector, básicamente no se podría medir nada y no funcionaría". Así de decisiva es la aportación de Itainnova a este experimento. "Si la electrónica de detección del experimento no funcionara correctamente, sería imposible ver qué partículas se han generado tras las colisiones electrón-positrón".

El problema de ruido electromagnético es bastante común en los aceleradores. Desde hace varios años Itainnova trabaja en la actualización de uno de los experimentos del LHC del Cern, el CMS-Compact Moun Solenoid, "para conseguir, por diseño, que la electrónica de procesamiento y el sistema de alimentación del experimento sean más inmunes al ruido electromagnético".

En estos proyectos de física, las soluciones convencionales no sirven, así que, obligatoriamente, "es aquí donde probamos a hacer cosas nuevas que, si es pertinente, acabamos transfiriendo a proyectos en los que colaboramos con empresas".

<div class="tit_blue">Nueva física</div>Superkekb y el detector Belle II están diseñados para buscar ‘nueva física’ más allá del Modelo Estándar, la teoría que describe las partículas elementales que componen la materia visible del Universo y sus interacciones. Para ello, mide desintegraciones inusuales de partículas elementales como el quark beauty (‘belleza’), el quark charm (‘encantado’) o los leptones tau, partícula emparentada con el electrón. Belle II abordará la búsqueda de pruebas de la existencia de nuevas partículas que podrían explicar por qué el Universo está dominado por la materia y no por la antimateria, cuando debieron producirse en iguales cantidades tras el Big Bang, y responder otras cuestiones fundamentales para el conocimiento del cosmos.

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