Electrons i positrons col·lisionen per primera vegada en l'accelerador SuperKEKB

Els electrons i les seues antipartícules, els positrons, accelerats i emmagatzemats per l'accelerador SuperKEKB va col·lisionar per primera vegada el 26 de abril a las 00:38 hores a Tsukuba (Japón). El detector Belle II, situat en el punt on es produeixen les col·lisions, va registrar l'anihilació que es produeix entre els feixos d'electrons i positrons, i que produeix altres partícules incloent parelles de quarks i antiquarks beauty ('bellesa' o simplement b), un dels quarks (les rajoles que componen la matèria) més pesats. Són les primeres col·lisions que es registren en l'accelerador de l'Organització per a la Recerca en Física d'Altes Energies amb Acceleradors (KEK) de Japó des que la màquina anterior (KEKB) finalitzara les seues operacions en 2010.

El detector Belle II ha sigut dissenyat i construït per una col·laboració internacional de més de 750 investigadors de 25 països, entre ells Espanya (veure Participació espanyola). Comparat amb el seu predecessor (Belle), el nou detector ha millorat enormement la seua capacitat, i pot detectar i reconstruir esdeveniments a una velocitat molt major, aprofitant que SuperKEKB tindrà 40 vegades més lluminositat (mesura del nombre de col·lisions) que l'anterior accelerador. S'esperen obtenir 50.000 milions d'esdeveniments de col·lisions entre fondes B i anti-B (partícules compostes per un quark i un antiquark b), 50 vegades més que el total de dades obtingut en l'anterior projecte KEKB/Belle que va funcionar durant 10 anys.

SuperKEKB i el detector Belle II estan dissenyats per a cercar 'nova física' més enllà del Model Estàndard, la teoria que descriu les partícules elementals que componen la matèria visible de l'Univers i les seues interaccions. Per a açò mesura desintegracions inusuals de partícules elementals com el quark beauty, el quark charm ('encantat') o els leptons tau, partícula emparentada amb l'electró. Belle II abordarà la cerca d'evidències de l'existència de noves partícules que podrien explicar per què l'Univers està dominat per la matèria i no per l'antimatèria, quan van haver de produir-se en iguals quantitats després del Big Bang, i respondre altres qüestions fonamentals per al coneixement del cosmos.

L'accelerador SuperKEKB va començar a funcionar al març amb un anell per a 'esmorteir' els positrons, un complex sistema d'imants superconductors que focalitzen els feixos i amb el nou detector Belle II situat en el punt on interactuen els feixos d'electrons i positrons. El primer feix d'electrons va ser emmagatzemat en l'anell principal d'alta energia de l'accelerador el 21 de març, i el de positrons es va emmagatzemar en l'anell de baixa energia el 31. Des de llavors s'ha dut a terme el procés d'ajust perquè els dos feixos xoquen en el centre del detector Belle II, fet que acaba de produir-se i que marca el punt d'eixida per a la presa de dades.

A diferència del Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC) del CERN en Ginebra (Suïssa), el major i més potent accelerador de protons del món, SuperKEKB està dissenyat per a ser l'accelerador amb major lluminositat, una mesura del nombre de col·lisions potencials en un accelerador per unitat de superfície en un període de temps. Així, SuperKEKB lidera el que es diu 'frontera de la lluminositat', i espera batre el rècord de lluminositat aconseguit pel seu antecessor KEKB en 2009 (veure Dades bàsiques de SuperKEKB i Belle II).

Per a Masanori Yamauchi, director de KEK, "és un gran plaer confirmar les primeres col·lisions en l'accelerador SuperKEKB, i celebrar l'arrencada de l'experiment Belle II després de més de 7 anys de millores. Estic desitjant veure com els resultats de Belle II ens ajuden a entendre la naturalesa de l'Univers, i donem les gràcies a tots els que han recolzat aquest projecte. Encara que apareguen dificultats fins que SuperKEKB aconseguisca la lluminositat planejada, 40 vegades major que el rècord de KEKB, ens esforçarem per a aconseguir l'èxit en col·laboració amb investigadors de tot el món".

Per la seua banda, Tom Browder, professor de la Universitat of Hawái i portaveu de Belle II, va declarar que "després de més de 7 anys de construcció i preparació per part de molts investigadors, enginyers i estudiants dedicats i amb talent, l'experiment Belle II ha començat. És un moment realment gratificant per a nosaltres en aquesta col·laboració internacional. Ara esperem ansiosos l'inici del programa de recerca de la primera súper-factoria de fondes B amb electrons i positrons".

Carlos Mariñas, doctor per l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universitat de València) i actualment en la Universitat de Bonn com a coordinador adjunt del funcionament de Belle II, assegura que "detectar les primeres col·lisions és un gran assoliment dels equips involucrats en el procés de posada a punt dels feixos durant els passats mesos. La gran experiència dels físics d'acceleradors japonesos ens ha portat a aquest punt en molt poc temps, permetent-nos encendre progressivament Belle II sense risc per a l'experiment. Ara està en mans dels físics que treballen en el detector traure el millor del potencial de descobriment que aquesta excepcional màquina posa al nostre abast, i estem disposats a acceptar el repte".

Participació espanyola

L'Institut de Física Corpuscular (IFIC, centre mixt CSIC-Universitat de València), l'Institut de Física de Cantàbria (IFCA, centre mixt CSIC-Universitat de Cantàbria) i l'Institut Tecnològic d'Aragó (ITAINNOVA), participen en el disseny, construcció, instal·lació i operació de DEPFET, un nou detector per a l'experiment Belle II.

Els detectors basats en la tecnologia DEPFET se situen en el punt més proper a les col·lisions de Belle II per a reconstruir l'origen de les partícules amb gran precisió. Estan compostos per una única peça de silici que integra el sensor i el suport mecànic, a la qual es solden els xips de lectura. El resultat és un detector de píxels que, per la seua extremada primesa (75 micres en la zona activa), redueix el material que altera la trajectòria de les partícules carregades generades en les col·lisions. Açò, al costat de la reduïda grandària dels seus píxels, fa que puga reconstruir l'origen de les partícules amb una precisió de 10 micres.

L'IFIC de València participa des de fa més d'una dècada en el desenvolupament de DEPFET, coordinant primer les proves amb feixos de partícules i després l'estratègia de refrigeració del detector, resultat de la tesi doctoral de Carlos Mariñas, actualment en la Universitat de Bonn i un dels responsables de l'operació de Belle II. A més, l'IFIC ha dissenyat i produït l'electrònica per a comprovar el correcte funcionament dels diferents mòduls de DEPFET una vegada assemblats en Belle II.

Per la seua banda, l'IFCA de Santander va desenvolupar el sistema de monitoratge ambiental de la temperatura i humitat per a la part del detector de vèrtexs (PXD) basat en sensors de fibra òptica tipus FBG. És la primera vegada que s'empra aquest tipus de tecnologia òptica en un detector de vèrtexs. Els investigadors i enginyers de l'IFCA van dur a terme amb èxit desenvolupaments específics per a millorar la tolerància a les radiacions ionitzants d'aquesta tecnologia. Aquestes activitats es van realitzar en col·laboració amb el departament de materials composts de l'Institut Nacional de Tècnica Aeronàutica (INTA).

ITAINNOVA ha col·laborat durant 6 anys en l'experiment Belle II. El seu treball se centra en el control del soroll electromagnètic (EMC), que permet assegurar el correcte funcionament dels sistemes elèctrics de l'experiment. L'equip de ITAINNOVA ha realitzat aquesta labor per a Belle II i específicament per a dues dels seus detectors: DEPFET i el detector de vèrtex de silici (SVD). Per a açò es va realitzar per vegada primera en el centre la mesura dels nivells de susceptibilitat d'un detector de píxels en una càmera semi-anecoica (que apantalla les ones electromagnètiques).

Les activitats de ITAINNOVA en Belle II s'han realitzat a través de diverses col·laboracions amb l'Institut Max Planck de Física de Munic, l'Institut de Física d'Altes Energies de Viena (HEPHY) i a través del projecte europeu AIDA2020 (Infraestructures Avançades per a Acceleradors i Detectors, per les seues sigles en anglès), en el qual ITAINNOVA participa com a responsable d'un dels paquets de treball centrat en aspectes de soroll electromagnètic per a detectors.

Dades bàsiques de l'accelerador SuperKEKB

- És un accelerador de partícules de 3 quilòmetres de circumferència situat en les instal·lacions de l'Organització per a la Recerca en Física d'Altes Energies amb Acceleradors (KEK) en Tsukuba, en la prefectura de Ibaraki (costa est de Japó).

- Consta de dos anells: un per a un feix d'electrons d'alta energia (7 gigaelectronvolts) anomenat HER, i un altre per a un feix de positrons (l'antipartícula de l'electró) de baixa energia (4 gigaelectronvolts), anomenat LER. Per a comparar, els feixos de protons del Gran Colisionador d'Hadrons (LHC) del CERN s'acceleren a energies de 7 teraelectronvolts.

- Aquests feixos col·lisionen a una energia total de 10,57 GeV/c2. Com expressa la famosa equació d'Einstein, l'energia es converteix en massa produint noves partícules diferents als electrons i positrons que van xocar entre si. En el LHC, les col·lisions es produeixen a una energia de 13 teraelectronvolts.

- SuperKEKB és una 'factoria de Bs', un accelerador especialitzat a produir fondes B, partícules compostes per quarks i antiquarks. Aquest tipus de partícules s'utilitza en 'física del sabor', per a conèixer la formació de les famílies de partícules que existeixen, i per a estudiar les diferències que existeixen entre matèria i antimatèria, l'anomenada 'simetria CP'. Un dels científics de KEK, Makoto Kobayashi, va ser un dels guanyadors del Nobel de Física en 2008 pels seus estudis sobre la ruptura d'aquesta simetria.

- En SuperKEKB s'espera aconseguir la major lluminositat obtinguda en un accelerador de partícules. La lluminositat és una mesura del nombre de col·lisions per unitat de temps. L'objectiu de SuperKEKB és 8×1035 cm−2s−1, que s'obtindria a partir de l'any 2022. El seu antecessor, KEKB ostenta encara el rècord de lluminositat amb 2,11×1034 cm−2s−1 (juny de 2009). El LHC va aconseguir a la fi de 2017 una lluminositat de 2,06 x 1034cm-2s-1, encara que prepara una millora a partir de 2025, el LHC d'Alta Lluminositat (High Luminosity LHC).

Dades bàsiques de l'experiment Belle II

- L'experiment Belle II se situa en una de les quatre zones experimentals de l'accelerador SuperKEKB. Té 10 metres d'alt i 10 d'ample, i un pes d'1.500 tones. En el seu interior xoquen els paquets d'electrons i positrons accelerats per SuperKEKB. Diversos subdetectors se situen al voltant del tub on es produeixen les col·lisions per a identificar les partícules resultants.

- Els detectors més propers a les col·lisions són el detector de vèrtexs (VXD) i el detector de píxels de silici (PXD), que se serveixen per a reconstruir l'origen i trajectòria de les fondes B, que es desintegren en picosegons (una bilionèssima part de segon). Són per tant, dispositius extremament precisos i ràpids.

- Per a identificar el tipus de partícules produït en les col·lisions s'usen altres detectors com TOP i A-RICH, que mesuren la llum emesa per partícules carregades. Altres dispositius, anomenats 'calorímetres electromagnètics', mesuren l'energia dipositada per partícules que interaccionen electromagnèticament (electrons, positrons i fotons). Tota aquesta informació es recopila en nanosegons i, mitjançant un programari d'adquisició de dades, se seleccionen els esdeveniments potencialment més interessants per a la seua posterior anàlisi. S'espera que Belle II genere desenes de petabytes de dades cada any, que s'emmagatzemaran mitjançant tecnologies GRID, com el LHC, i Cloud.

- El principal objectiu científic de Belle II és estudiar les diferències entre matèria i antimatèria. En l'origen de l'Univers es van haver de crear idèntiques quantitats d'ambdues (l'antimatèria és una rèplica de la matèria amb càrrega oposada), però tot el que veiem ara està fet de matèria... Esbrinar per què la naturalesa va preferir una sobre l'altra és un dels grans reptes científics actuals.

- L'experiment Belle II és una col·laboració científica internacional composta per més de 500 investigadors i tècnics de 97 institucions de 23 països, inclosa Espanya. Per part espanyola participen l'Institut de Física Corpuscular (IFIC, centre mixt CSIC-Universitat de València), l'Institut de Física de Cantàbria (IFCA, centre mixt CSIC-Universitat de Cantàbria) i l'Institut Tecnològic d'Aragó (ITAINNOVA).