Científicos españoles participan en el nuevo acelerador japonés SuperKEKB

El acelerador de partículas SuperKEKB y su experimento asociado, Belle II, suponen la mejora de experimentos anteriores que pretenden estudiar en detalle la asimetría entre materia y antimateria, explicando así por qué nuestro universo está compuesto sólo por materia. Investigadores del IFIC (centro mixto CSIC- Universidad de Valencia) trabajan en el diseño y fabricación de los detectores de píxeles, una parte del detector esencial para reconstruir con precisión la trayectoria de las partículas generadas en las colisiones.

SuperKEKB y Belle II suponen sendas actualizaciones del acelerador KEK-B y su experimento Belle. Forman parte de un tipo de experimentos denominados “factorías B”, llamados así porque producen partículas que contienen el quark b, el segundo con más masa del Modelo Estándar de Física de Partículas. El estudio de la desintegración de estas partículas permite estudiar con detalle la asimetría que existe entre materia y antimateria, entre otras cuestiones fundamentales de la Física.

KEK-B es el acelerador de este tipo que más datos ha acumulado. El análisis de los datos registrados en Belle (y también en otro experimento similar llamado BaBar) ha llevado al descubrimiento de nuevos tipos de hadrones con cuatro quarks y ayudado a confirmar la teoría Kobayashi-Maskawa, que predice tres tipos de quarks en la Naturaleza para explicar la asimetría materia-antimateria, y por la que obtuvieron el Nobel de Física en 2008.

Estas actualizaciones son necesarias para seguir incrementando la cantidad de datos que registra el experimento. Las obras para el inicio de SuperKEKB han dado comienzo el 18 de noviembre con una ceremonia en las instalaciones de la Organización para la Investigación en Altas Energías (KEK) en Tsukuba (Japón).

Carlos Lacasta, investigador del IFIC que asiste al evento, explica que su instituto participa en el diseño y la fabricación del detector de píxeles de silicio para el experimento Belle II, una serie de dispositivos situados muy próximos al lugar donde colisionan los electrones y positrones (su antipartícula), y que “son fundamentales para reconstruir los primeros puntos de la trayectoria de las partículas resultantes”.

A diferencia de otros dispositivos similares instalados en experimentos del LHC como ATLAS, CMS o LHCb, los que se diseñan para Belle II tienen parte de la electrónica de lectura en el mismo píxel, proporcionan una resolución espacial de unas 5 micras y tienen un espesor de 50 micras, por lo que serán más precisos.

Diferencias con el LHC

Esto es necesario porque SuperKEKB no funcionará con tanta energía como el LHC, por lo que las partículas que se producen en las colisiones tienen también menos energía. Como consecuencia, la cantidad de material que deben atravesar las partículas ha de ser muy pequeña para poder precisar muy bien su posición sin variar su trayectoria, lo cual exige que los detectores tengan un espesor tan pequeño. El diseño del detector de píxeles de silicio parte de investigadores del Instituto Max Planck de Munich (Alemania), con el que colabora un grupo de investigadores de la Universidad de Barcelona (UB), y participan también las Universidades de Heidelberg, Bonn y Praga.

Este tipo de detectores son instrumentos muy precisos cuyo diseño, fabricación e instalación tienen que resolver una serie de problemas. Por una parte, hay que disipar el calor que producen tanto los detectores como la electrónica próxima a ellos para no degradar las prestaciones del detector sin añadir material adicional, como pueden ser tuberías de refrigeración.

Por otra, la parte mecánica que ensambla todas las piezas tiene que ser extraordinariamente precisa y estable para que los datos obtenidos también lo sean, así como su instalación definitiva, prevista en un plazo de tres años. La parte mecánica y el sistema de refrigeración se realizan en el IFIC, mientras que la Universidad de Barcelona participa en el diseño de la electrónica de lectura de los sensores.

Según Lacasta, este tipo de detectores se utilizará en el futuro colisionador lineal, el acelerador de partículas que sustituirá al LHC, en cuyo diseño participan investigadores españoles: además del IFIC y la UB, están el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, CSIC‐Universidad de Cantabria); el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT); el Centro Nacional de Microelectrónica (CNM‐IMB‐CSIC); el Instituto Tecnológico de Aragón (ITA) y las Universidades de Granada y Santiago de Compostela.

La participación española en el proyecto SuperKEKB cuenta con la financiación del Plan Nacional de Física de Partículas y el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN), proyecto Consolider-Ingenio 2010 formado por 26 grupos de investigación entre cuyos objetivos está el promover la participación española en este tipo de experimentos.