Los electrones y sus antipartículas, los positrones, acelerados y almacenados por el acelerador SuperKEKB colisionaron por primera vez el 26 de abril a las 00:38 horas en Tsukuba (Japón). El detector Belle II, situado en el punto donde se producen las colisiones, registró la aniquilación que se produce entre los haces de electrones y positrones, y que produce otras partículas incluyendo parejas de quarks y antiquarks beauty (belleza o simplemente b), uno de los quarks (los ladrillos que componen la materia) más pesados. Son las primeras colisiones que se registran en el acelerador de la Organización para la Investigación en Física de Altas Energías con Aceleradores (KEK) de Japón desde que la máquina anterior (KEKB) finalizase sus operaciones en 2010.
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, aprovechando que SuperKEKB tendrá 40 veces más luminosidad (medida del número de colisiones) que el anterior acelerador. Se esperan 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.
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, el quark charm (encantado) o los leptones tau, partícula emparentada con el electrón. Belle II abordará la búsqueda de evidencias 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.
El acelerador SuperKEKB comenzó a funcionar en marzo con un anillo para amortiguar los positrones, un complejo sistema de imanes superconductores que focalizan los haces y con el nuevo detector Belle II situado en el punto donde interactúan los haces de electrones y positrones. El primer haz de electrones fue almacenado en el anillo principal de alta energía del acelerador el 21 de marzo, y el de positrones se almacenó en el anillo de baja energía el 31. Desde entonces se ha llevado a cabo el proceso de ajuste para que los dos haces choquen en el centro del detector Belle II, hecho que acaba de producirse y que marca el punto de salida para la toma de datos.
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 de luminosidad logrado por su antecesor KEKB en 2009.
Para Masanori Yamauchi, director de KEK, “es un gran placer confirmar las primeras colisiones en el acelerador SuperKEKB, y celebrar el arranque del experimento Belle II tras más de 7 años de mejoras. Estoy deseando ver cómo los resultados de Belle II nos ayudan a entender la naturaleza del Universo, y damos las gracias a todos los que han apoyado este proyecto. Aunque aparezcan dificultades hasta que SuperKEKB alcance la luminosidad planeada, 40 veces mayor que el récord de KEKB, nos esforzaremos para alcanzar el éxito en colaboración con investigadores de todo el mundo”.
Por su parte, Tom Browder, profesor de la Universidad of Hawái y portavoz de Belle II, declaró que “tras más de 7 años de construcción y preparación por parte de muchos investigadores, ingenieros y estudiantes dedicados y con talento, el experimento Belle II ha comenzado. Es un momento realmente gratificante para nosotros en esta colaboración internacional. Ahora esperamos ansiosos el inicio del programa de investigación de la primera súper-factoría de mesones B con electrones y positrones”.
Carlos Mariñas, doctor por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) y actualmente en la Universidad de Bonn como coordinador adjunto del funcionamiento de Belle II, asegura que “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. 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”.
Participación española
El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, centro mixto CSIC-Universitat de València), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, centro mixto CSIC-Universidad de Cantabria) y el Instituto Tecnológico de Aragón (ITAINNOVA), participan en el diseño, construcción, instalación y operación de DEPFET, un nuevo detector para el experimento Belle II.
Los detectores basados en la tecnología DEPFET se ubican en el punto más cercano a las colisiones de Belle II para reconstruir el origen de las partículas con gran precisión. Están compuestos por una única pieza de silicio que integra el sensor y el soporte mecánico, a la que se sueldan los chips de lectura. El resultado es un detector de píxeles que, por su extremada delgadez (75 micras en la zona activa), reduce el material que altera la trayectoria de las partículas cargadas generadas en las colisiones. Esto, junto al reducido tamaño de sus píxeles, hace que pueda reconstruir el origen de las partículas con una precisión de 10 micras.
El IFIC de Valencia participa desde hace más de una década en el desarrollo de DEPFET, coordinando primero las pruebas con haces de partículas y luego la estrategia de refrigeración del detector, resultado de la tesis doctoral de Carlos Mariñas, actualmente en la Universidad de Bonn y uno de los responsables de la operación de Belle II. Además, el IFIC ha diseñado y producido la electrónica para comprobar el correcto funcionamiento de los diferentes módulos de DEPFET una vez ensamblados en Belle II.
Por su parte, el IFCA de Santander desarrolló el sistema de monitorización ambiental de la temperatura y humedad para la parte pixelada del detector de vértices (PXD) basado en sensores de fibra óptica tipo FBG. Es la primera vez que se emplea este tipo de tecnología óptica en un detector de vértices. Los investigadores e ingenieros del IFCA llevaron a cabo con éxito desarrollos específicos para mejorar la tolerancia a las radiaciones ionizantes de esta tecnología. Estas actividades se realizaron en colaboración con el departamento de materiales compuesto del Instituto Nacional de Técnica Aeronáutica (INTA).
ITAINNOVA ha colaborado durante 6 años en el experimento Belle II. Su trabajo se centra en el control del ruido electromagnético (EMC), que permite asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas eléctricos del experimento. El equipo de ITAINNOVA ha realizado esta labor para Belle II y específicamente 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 pixeles en una cámara semi-anecoica (que apantalla las ondas electromagnéticas).
Las actividades de ITAINNOVA en Belle II se han realizado a través de varias colaboraciones con el Instituto Max Planck de Física de Múnich, el Instituto de Física de Altas Energías de Viena (HEPHY) y a través del proyecto europeo AIDA2020 (Infraestructuras Avanzadas para Aceleradores y Detectores, por sus siglas en inglés), en el que ITAINNOVA participa como responsable de uno de los paquetes de trabajo centrado en aspectos de ruido electromagnético para detectores.
Vídeo: A Search for New Physics: The Belle II Detector.
Fuente: IFIC