Colaboración mexicana en la búsqueda de los efectos de la radiación sobre los detectores del CMS - CERN

El descubrimiento del bosón de Higgs el 4 de julio de 2012 en el mayor acelerador de partículas del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), es uno de los sucesos científicos de mayor trascendencia de la última década.

CERN CMS

Una parte fundamental para la certidumbre de ésta y otras investigaciones de ciencia de frontera realizadas en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) es la fiabilidad y precisión de sus detectores, los cuales son capaces de captar el paso de una partícula, localizarla, medir su energía y/o su tiempo de llegada, etc.

Conoce más de cómo funcionan cada uno de los detectores, en el siguiente video:

La Dra. Cecilia Uribe Estrada del Instituto de Ciencias de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP) y el Dr. Alfredo Castañeda del Departamento de Investigación en Física de la Universidad de Sonora (DIFUS), participan en una investigación apoyada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt), para conocer los efectos de la radiación sobre uno de los detectores que componen el experimento del solenoide compacto de muones, en inglés Compact Muon Solenoid, CMS.

“Los altos niveles de radiación pueden degradar la calidad de los detectores y la de sus componentes electrónicos, dando como resultado una baja eficiencia de detección de las partículas de interés”, comenta en entrevista para el Conacyt la Dra. Uribe Estrada.

El espectrómetro de CMS está formado por capas de sub-detectores, cada uno diseñado para medir ciertas propiedades o características de partículas específicas. Uno de ellos es el conformado por cámaras de placas resistivas (Resistive Plate Chambers, RPCs), detectores rápidos gaseosos que combinan una buena resolución espacial y temporal, idóneos para los sistemas de rastreo (tracking) y disparo (trigger) para la identificación de muones, partículas subatómicas elementales similares al electrón, pero 207 veces más pesadas.

El equipo de Uribe y Castañeda analiza los posibles deterioros de los detectores RPCs. Algunos de los problemas que han identificado son que la radiación de neutrones y fotones puede, mediante procesos de conversión (dispersión de neutrones y conversión de fotones), producir partículas cargadas (electrones/positrones) las cuales son identificadas como una señal,  “esto afectaría la capacidad del detector de diferenciar entre procesos de ruido y procesos de interés tales como el decaimiento del bosón de Higgs a muones, búsqueda de partículas de materia oscura y otros tipos de búsqueda de nuevas partículas cuyo decaimiento sea a muones, por mencionar algunos”, explica el Dr. Alfredo Castañeda.

Dra Cecilia UribeDra. Cecilia Uribe Estrada en el Experimento CMS del CERN -ubicado 100 m bajo tierra en Cessy, Francia- participando en la instalación de los detectores RPCs (Resistive Plate Chambers) que forman parte del detector de muones.La forma en cómo lo hacen es a través de la simulación de Monte Carlo, la cual se utiliza para seleccionar todas las variables relevantes de acuerdo con las distribuciones de probabilidad deseada. En este ejercicio tratan de recrear las condiciones del experimento con el objetivo de proyectar los niveles de radiación y crear estrategias para mitigar el daño a los detectores, en la simulación se pueden configurar varios parámetros experimentales (energía de colisión, frecuencia de colisión, etc.).

Para recrear el entorno de radiación utilizan el programa FLUKA[1] y Geant4 para estimar su impacto en el funcionamiento de los detectores RPCs.  “Si la simulación indica una degradación del funcionamiento del detector se puede, por ejemplo, crear una estrategia de blindaje que protege el detector del flujo de partículas, o bien, diseñar detectores más robustos que puedan soportar ambientes hostiles de radiación. Está radiación se incrementará aún más en la fase 2 de alta luminosidad llamada HL-LHC, por lo que estos estudios resultan de mayor importancia”, comenta la investigadora de la BUAP.

Este proyecto, mencionan los investigadores, tiene la cualidad de ser interdisciplinario al combinar la investigación de física básica para entender los procesos fundamentales entre partículas y materia, conocimientos de electrónica para el diseño de los detectores así como de cómputo para el desarrollo de las simulaciones, por lo que se tiene el potencial de involucrar estudiantes de varias disciplinas y formar recursos humanos altamente calificados, no sólo en ciencia básica, sino con conocimientos especializados para adentrarse en el mercado laboral.

El desarrollo al mejoramiento de los detectores de partículas y diseño de protección contra la radiación contribuyen a garantizar el buen funcionamiento de los dispositivos y a incrementar la probabilidad de detección de señales de nueva física como “la búsqueda de candidatos de materia oscura y de supersimetría; también se contribuye a incrementar la producción de bosones de Higgs que permitirá entender mejor sus propiedades y su posible relación con partículas aún no descubiertas”, comenta Uribe Estrada.

Aunque el objetivo primordial de los científicos es entender el Universo y las leyes que lo rigen, a lo largo de los años se ha mostrado que los resultados de investigación en física de partículas han contribuido a mejorar nuestro nivel de vida a través de desarrollos en medicina (tomografía de positrones, tomografía computarizada, etc.), computación (desarrollo de software utilizado en la industria, sectores financieros, medicina, educación, etc.) y tecnología (nueva electrónica que empuja los límites de rápido procesamiento, creación de detectores utilizados en el sector de seguridad, medio ambiente, etc.). La ciencia básica y el desarrollo van de la mano y son prioritarios para el desarrollo fundamental de un país.

 


[1]FLUKA es una herramienta de propósito general para los cálculos de transporte de partículas e interacciones con la materia, que cubre una amplia gama de aplicaciones que abarcan desde el blindaje del acelerador de protones y electrones hasta el diseño de objetivos, calorimetría, activación, dosimetría, diseño de detectores, sistemas accionados por acelerador, rayos cósmicos, neutrinos física, radioterapia, etc.

  

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