Física en el detector ALICE-LHC del CERN
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Física en el detector
ALICE-LHC del CERN
Luis Manuel Montaño Zetina Plasma de quarks y gluones
ALICE (A Large Ion Collider Experiment) es un
experimento que se realizará en el LHC (Large Hadron
Collider) en el CERN (Conseil Européen pour la Recher-
che Nucléaire) en Ginebra, Suiza, propuesto para estudiar
colisiones de iones pesados (Ca, Pb). El objetivo de ALICE
es estudiar este tipo de interacciones a altas energías (5.5
TeV en el centro de masa), en densidades y temperaturas
extremas, donde la formación de una nueva fase de la
materia, el QGP (quark gluon plasma), podría ser creada.
A estas altas densidades y temperaturas sería posible
verificar el estado de desconfinamiento (quarks y gluones
libres) y la llamada restauración de la simetría quiral
(simetría donde las masas de los quarks son cero).
El QGP es un sistema compuesto de quarks, anti-
quarks y gluones (de manera genérica, partones) los cuales
se mueven libremente en un volumen mucho mayor que
el de cualquier hadrón (protón, neutrón...), y en el cual
están confinados, es decir, no pueden escapar de él. Este
plasma puede ser descrito como un sistema termo-
dinámico con características físicas macroscópicas como
temperatura, presión, densidad, entre otros. Al expanderse
y enfriarse el plasma se condensa produciendo un gran
número de hadrones (fenómeno conocido como
hadronización), partículas que son las que finalmente
pueden ser observadas por los detectores.
El Dr. Luis Manuel Montaño Zetina es investigador adjunto del
Departamento de Física del CINVESTAV. Dirección electrónica: Se puede conocer el tamaño del volumen del sistema
lmontano@fis.cinvestav.mx en el momento en que sus constituyentes han dejado de
Avance y Perspectiva vol. 20 75Figura 1. Estructura del detector ALICE.
interaccionar gracias a una propiedad cuántica conocida La observación más directa del QGP debe venir por
como correlación de partículas idénticas. Asimismo, con la radiación electromagnética emitida en forma de fotones
esta propiedad es posible conocer la velocidad de expan- en los primeros momentos de la creación del plasma,
sión y la temperatura. cuando el plasma está a la temperatura máxima. Estos
fotones se producen por la aniquilación de un par quark-
Una de las señales que nos podrían indicar la antiquark o por la interacción entre un quark y un gluón,
formación del QGP es la del incremento de partículas y escapan con una distribución de energía representativa
extrañas, esto es, partículas más pesadas que el protón y del estado del plasma en sus inicios. Así, la radiación
el neutrón y con un grado de libertad cuántico adicional electromagnética nos da información del estado
conocido como extrañeza. Se sabe que en el interior del termodinámico, en particular de su temperatura.
plasma algunos de los productos de las interacciones de
quarks y gluones son pares quark-antiquark extraños, y El detector del experimento ALICE está compuesto
esta producción es mayor que aquella originada por por dos partes principales: la primera es la zona central
reacciones entre hadrones a energías bajas no ultra- que detectará la producción de pares de electrones y de
relativistas. Debido a que el número de quarks extraños aquellas señales que indiquen la formación de hadrones;
se conserva en interacciones fuertes, éstos estarán la segunda parte consiste en la zona externa donde un
presentes en los hadrones en el estado final (producto de espectrómetro estudiará el decaimiento muónico de los
la hadronización) por lo que el número producido será hadrones creados por confinamiento de quarks (figura 1).
mayor al caso en el que el plasma no se hubiese producido. Estas dos partes son esenciales para poder estudiar cada
uno de los eventos que nos den indicios del QGP. En
Por otra parte, la supresión del encanto (otro número realidad lo que se mide son las llamadas observables físicas
cuántico que identifica hadrones más pesados) es otra (momentos, energías, masa transversal, etc.) ya que nos
señal de la presencia del QGP. Se predice que la fuerza dan información importante de las condiciones iniciales
atractiva entre quark-antiquark encantados en el plasma y de la evolución espacio-temporal de la masa hadrónica
podría estar apantallada, por lo que la cantidad esperada creada por las colisiones de los iones pesados. De esta
de partículas de este tipo sería menor. El mejor modo de manera se puede obtener alguna señal sobre la formación
estudiar esta supresión es en la identificación de pares del QGP o de un nuevo estado de la materia. ¡Nueva
muon-antimuón. física!1.
76 Enero-febrero de 2001• Por último se podrá analizar la formación de la mate-
ria hadrónica (hadronización) a través de la relación
entre la producción de partículas, distribuciones del
momento transversal (pT) y otras observables. La
interferometría de las partículas producidas en la
interacción ayudará a la medición del grado de
enfriamiento de la zona del plasma, también conocida
como bola de fuego (fireball).
El detector
Los principales sistemas de detección que comprende
ALICE se encuentran en la figura 1:
• TPC (Time projection chamber), sistema principal de
rastreo de partículas.
Una vez puesto en marcha, el experimento tendrá las
siguientes etapas principales: • PMD (Photon multiplicity detector), detector que
estudia la multiplicidad de fotones.
• Para establecer las condiciones iniciales es necesario
conocer el número de colisiones entre iones en cada • El espectrómetro de muones genera el espectro
interacción. Con ello se obtiene información sobre la completo de las resonancias de los quarks pesados a
densidad de energía lograda en el nuevo estado de la través de sus decaimientos en mesones vectoriales.
materia (QGP).
• ITS (Inner tracking system), sistema que reconstruye
• Para verificar la posible formación del QGP se tendrá los vértices secundarios. Identifica y rastrea las partí-
en cuenta la producción de partículas con encanto. culas de bajo momento transversal.
Por su parte los fotones creados en el punto de
interacción nos ayudarán a conocer las características • ZDC, calorímetro situado en la base del rayo.
de la radiación térmica del plasma. Al determinar la
sección eficaz de hadrones con un momento transver- • PHOS (Photon spectrometer), calorímetro electro-
sal alto se podrá conocer la pérdida de energía de los magnético de gran resolución.
partones en el plasma. Por último, la producción de
las partículas J/ψ e Y darán indicios del descon- • HMPID (High – momentum particle identification de-
finamiento. tector), detector de partículas con momentos
transversales altos.
• Después vendrá el estudio de la transición de fase, es
decir, la formación del QGP, la cual se podrá estudiar La disposición de estos sistemas es la siguiente. El
gracias a la producción de extrañeza. Se espera tener TPC contiene en su interior el ITS que mejora la
una gran densidad de quarks extraños que den indicios reconstrucción de los vértices primarios y secundarios de
de una parcial restauración de la simetría quiral en el las interacciones así como la obtención de un rastreo
plasma; además, las fluctuaciones de la multiplicidad preciso de partículas de bajo momento. Fuera se encuentra
en las interacciones nos ayudarán a comprender los el TRD (transition radiation detector) para la identificación
fenómenos presentes en la transición de fase. Por otra de electrones así como el PMD para estudios de
parte, con la técnica de la interferometría de partículas multiplicidad de fotones. Más afuera está el TOF, el cual
idénticas conoceremos el tiempo de expansión en la proporciona la identificación de piones, kaones y protones.
fase, el cual se espera sea grande (del orden de micro- El ZDC se encuentra en el eje del rayo para estudios de
segundos). centralidad de la interacción; en cambio el espectrómetro
Avance y Perspectiva vol. 20 77de muones sólo está colocado en uno de los lados del extrañas. Asimismo, se obtendrá información de la
punto de impacto. Finalmente se encuentra el PHOS para extensión espacio-temporal de la bola de fuego al enfriarse
optimizar la identificación de partículas con momentos a través del estudio de los espectros y las correlaciones de
altos ayudado principalmente por el HMPID. una o dos partículas. En resumen, el TPC deberá propor-
cionar una gran resolución para distinguir dos trayectorias,
Veremos a continuación un resumen de las caracte- una gran resolución de la observable dE/dx y tener la
rísticas principales de cada subsistema y la física que cada capacidad de unir correctamente las trayectorias del ITS
uno de ellos determinará. Para mayor información sobre y del TOF.
cada uno de ellos se puede consultar la referencia co-
rrespondiente.
En cambio, el detector de transiciones radiativas (TRD)
dará, con los datos que provengan de los detectores TPC
1. El TPC2 es el detector principal de rastreo de
e ITS, suficiente información sobre la identificación de
partículas en la zona central, o punto de interacción y,
electrones para medir la producción de mesones vectoriales
junto con el ITS, TRD y el TOF proporcionará información
pesados y ligeros en las colisiones. Esta identificación de
tanto de los momentos de partículas cargadas como de
la identificación y determinación de los vértices resultantes electrones, junto con la determinación del parámetro de
de las colisiones. Debido a la gran multiplicidad que se impacto, proporcionará información sobre la cantidad
espera en las colisiones de iones pesados el TPC deberá de encanto y belleza en la colisión. También se podrá
proporcionar una óptima separación de trayectorias y diferenciar a los mesones J/ψ producidos directamente
una gran resolución del espectro de energías por unidad de aquellos que se originan como resultado de los decai-
de distancia (dE/dx) . mientos de belleza. Este último podría inducir la supresión
esperada de los mesones J/ψ debido a la formación del
El TPC es la principal herramienta para estudiar las QGP. En resumen, en lo que se refiere a observables
observables hadrónicas en colisiones Pb-Pb. Las medi- leptónicas, el TPC deberá proporcionar una gran eficiencia
ciones de las propiedades de los hadrones producidos en la identificación de electrones, una gran resolución de
darán información sobre la composición de sabores de la los momentos de los mismos y la capacidad de diferenciar
bola de fuego a través de la espectroscopía de partículas las trayectorias a un ritmo de al menos 200 Hz.
78 Enero-febrero de 20013. Los quark pesados (c,b) son producidos en procesos
de dispersión de partones pesados durante las interacciones
primarias de nucleones. Estos quarks formarán reso-
nancias quarkónicas (estados ligados de quarks). La idea
original de la supresión en la producción del quarkonio
dentro el medio desconfinado está basada en el
apantallamiento del color5. El radio de este apanta-
llamiento en el medio es inversamente proporcional a la
densidad de las cargas de color y, en consecuencia, a
la densidad de energía. Al tener un radio menor que la
resonancia, el alcance de la fuerza fuerte disminuye por
lo que el estado ligado no puede existir más. La resonancia
decae y los quarks se separan para aparecer después de
la hadronización, como dos hadrones con encanto o
belleza.
Uno de los aspectos cruciales de la supresión de
2. El detector PMD3 estará situado a una distancia quarkonio como una prueba del estado del QGP son los
mínima de 5m y máxima de 8m del punto de interacción. procesos de fusión y las diferentes disociaciones de los
El principio de detección en el cual se basa es de la
estados del mismo. Por ejemplo, la Y’, con una energía
siguiente manera: un fotón que pasa a través de un con-
de enlace de 60 MeV, puede ser disociada fácilmente
vertidor transforma su energía en un chorro electro-
inclusive en un medio confinado en colisiones núcleo-
magnético produciendo grandes señales registradas en las
celdas que constituyen el detector. En cambio los hadrones núcleo. Este incremento en la disociación está en contraste
en general sólo provocan la respuesta de una celda con la supresión de la J/ψ debido al desconfinamiento de
produciendo una señal de ionización mínima. El espesor color.
del convertidor está calibrado para obtener tanto la
máxima probabilidad de conversión del fotón como la El espectrómetro de muones6 está diseñado para
menor dispersión del chorro, evitando así la alta multi- abarcar el espectro completo de las resonancias de los
plicidad. quarks pesados, es decir: J/ψ, ψ, Y, Y’. Este sistema medirá
el decaimiento de estas resonancias en colisiones protón-
La tarea del PMD consiste en medir la multiplicidad protón y de iones pesados, con una resolución de masas
y la distribución espacial de los fotones permitiendo suficiente para identificar todos los estados.
con esto estudiar la distribución de los eventos regis-
trados junto con sus fluctuaciones y así dar estimacio-
4. Las funciones primordiales del ITS7 son reconstruir
nes de la energía electromagnética transversal4. De esta
los vértices secundarios para el encanto e hiperones en
manera será posible:
general, identificar partículas y el rastreo de partículas de
• determinar el plano de interacción a través de los bajo momento. Esto permitirá una mejoría en la resolución
estudios del comportamiento anisotrópico azimutal, de momentos obtenida por el TPC. Los aspectos de los
eventos generales serán estudiados midiendo las
• obtener las fluctuaciones de las observables globales distribuciones de multiplicidad y los espectros individuales.
como multiplicidad, momento transverso medio y Para el estudio de la producción de las resonancias ρ, ω,
distribuciones de la pseudorapidez, y φ, el comportamiento de la masa de estos mesones en
el ambiente denso y la resolución del momento es vital.
• conocer las señales de la restauración de la simetría Al mismo tiempo la resolución de estados pesados, como
quiral y el estudio del número de fotones y su radio el mesón D, J/ψ y Y, se incrementará mejorando la razón
con respecto a las partículas cargadas (Nγ y Nγ/ Nch) señal-ruido en las mediciones del encanto y en la supresión
con una cobertura total del ángulo azimutal. de otros quarkonios pesados.
Avance y Perspectiva vol. 20 79Otra contribución principal de este sistema se da en La observable que se relaciona directamente con la
la interferometría de partículas idénticas o correlaciones geometría del impacto, o parámetro de impacto, es la
HBT (Hanbury-Brown y Twiss). La identificación de energía que llevan los nucleones no interactuantes
partículas de bajo momento incrementará la capacidad (conocidos como espectadores). El ZDC8 está constituido
de distinguir éstas así como estudiar las correlaciones de por dos grupos similares puestos simétricamente a ~100m
las partículas no idénticas. El ITS podrá también identificar del punto de interacción y sobre el eje del rayo (a cero
la producción de hiperones, los cuales dan una idea del grados, de ahí su nombre), los cuales medirán la centra-
grado de producción de extrañeza; se podrá obtener lidad de la colisión. Gracias al magneto L3 (figura 1) se
información de la densidad de extrañeza en la fase podrán separar los protones y neutrones que sean es-
temprana de la colisión. Esto es muy importante ya que, pectadores para ser detectados en cada uno de los dos
grupos. Esta separación se logra debido a que los dos
como se explicó anteriormente, una de las señales de la
nucleones tienen una razón de carga-masa diferente al
aparición del QGP es el incremento en la producción de
resto de los iones del rayo.
extrañeza.
Por otra parte, la producción de encanto en la
6. PHOS9 es un calorímetro electromagnético de
dispersión de partones pesados aparece solamente en las
alta resolución construido principalmente para medir
etapas iniciales de la colisión. El ITS dará una buena fotones, π0 y η0. Este sistema abarca los siguientes
reconstrucción de las trayectorias de los vértices secunda- tópicos:
rios para estudios de la supresión de partículas con encanto.
• Determina parámetros dinámicos y térmicos de la fase
5. En interacciones de iones pesados es importante inicial de la colisión a través de fotones individuales o
determinar el grado de centralidad de la colisión para difotones.
estimar la densidad de energía en la interacción. Esta
última es una medida esencial para lograr los objetivos • Es sensible a la energía perdida por los partones en un
de ALICE, ya que algunas de las señales de la existencia medio denso. Esto sirve como prueba de descon-
del desconfinamiento se manifiestan como funciones de finamiento y se mide al calcular grandes momentos
la densidad de energía. transversos de π0.
80 Enero-febrero de 2001• Identifica señales de la restauración de la simetría momentos ya que estas observables pueden ser verificadas
quiral. utilizando QCD perturbativa (la teoría de las interacciones
fuertes entre quarks y gluones).
Los difotones térmicos han sido considerados como
una prueba para entender los estados tempranos de las Para el estudio de la energía perdida por los partones
colisiones de iones pesados ultrarrelativistas10. Las en un medio denso se puede utilizar la comparación de
mediciones de estos fotones, así como los dileptones los espectros de protones y antiprotones13. En los quarks
resultantes, tienen la ventaja de que los espectros de producidos (comunmente quarks de valencia) hadronizan
masas se ven afectados por la temperatura del medio para crear más protones que antiprotones. Los gluones,
interactuante. Por su parte, las distribuciones de los a su vez, producen iguales cantidades de estas dos par-
espectros de piones neutros serán medidas en un amplio tículas. Como consecuencia se usarán estos dos tipos de
intervalo estadístico de alta precisión, en donde la hadrones para conocer la presencia de quarks y gluones
resolución del espectrómetro será superior a la resolución en el rayo. A esta asimetría se debe agregar aquella que
de momentos del sistema de rastreo para partículas viene de los gluones, ya que teniendo carga de color
cargadas. El espectro de piones neutros ofrece restricciones perderán más energía que los quarks en un medio denso,
adicionales en escenarios hidrodinámicos relacionados con una supresión de los antiprotones para momentos
la forma de la bola de fuego ya enfriada11. transversos altos. Se predice que la diferencia será un
factor de dos, accesible para el HMPID.
7. En procesos de intercambio de momentos altos en
las interacciones es importante contar con un detector Por último, el estudio de las correlaciones de partículas
que abarque el intervalo de mayor transferencia. El con momentos altos nos dará información acerca del
HMPID12 identifica procesos de gran transferencia de tamaño de la zona emitente como función de la masa
Avance y Perspectiva vol. 20 81transversal (mT) para cada tipo de partícula. Además nos Notas
proporcionará información de la evolución dinámica del
sistema, en particular el tiempo propio de desaco- 1. ALICE Collaboration, propuesta técnica, Addendum
plamiento y la duración de la emision de partículas. 2, CERN/LHCC/95-71.
2. Time Projector Chamber, CERN/LHCC/2000-001.
Perspectivas 3. Photon Multiplicity Detector, CERN/LHCC/99-32.
ALICE estará en proceso de construcción una vez que se 4. M. M. Aggarwal et al., Nucl. Instr. Meth. Phys. Res.
apruebe la puesta en marcha para transformar el LEP A372, 143(1996).
(Large Electron-Positron) en el LHC en el CERN. Esto
habría ocurrido en septiembre del 2000 pero se extendió 5. T. Matsui y H. Satz, Phys. Lett. B178, 416(1986).
la fecha para permitir al LEP continuar con la toma de
datos con el fin de obtener más información sobre los 6. Muon Spectrometer, CERN/LHCC/99-22.
tan esperados bosones de Higgs. Esta física será estudiada
7. Inner Tracking System, CERN/LHCC/99-12.
por otros dos experimentos que, junto con ALICE,
constituyen los principales detectores del LHC: ATLAS y 8. Zero Degree Calorimeter, CERN/LHCC/99-5.
CMS. Se estima que ALICE comenzará sus actividades
en el 2006. 9. Photon Spectrometer, CERN/LHCC/99-4.
En febrero del 2000 se llevó a cabo una conferencia 10. M. Hentschel et al., Z. Phys. C75, 333(1997); S.
en el CERN para dar a conocer a la comunidad científica Sarkar et al., Phys. Lett. B402, 13(1997)
las pruebas de que existe un estado de materia donde
11. M. M. Aggarwal et al., “Freeze-Out Parameters in
quark y gluones se mueven libremente: el llamado QGP.
Central 158AgeV 208Pb+208Pb Collisions”, nucl-ex/
Sin embargo, se concluyó que, para obtener la verificación
9901009.
completa y segura de la existencia de este nuevo estado,
los resultados del LHC, a través de ALICE, tendrán la 12. High Momentum Particle Identification, CERN/LHCC/
última palabra. 99-19.
82 Enero-febrero de 2001También puede leer
