ITAINNOVA participa en un experimento que busca respuestas a por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria

El Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), el Instituto de Física de Cantabria y el Instituto Tecnológico de Aragón participan en un experimento internacional que busca respuestas a por qué el Universo está hecho de materia y no de antimateria.

Uno de los avances de ese experimento ha sido que los electrones y sus antipartículas, los positrones acelerados y almacenados por el acelerador SuperKEKB colisionaron, por primera vez, la pasada madrugada del 25 de abril, a las 00:38 en Tsukuba (Japón). El detector Belle II registró la aniquilación que se produjo entre los haces de electrones y positrones, y que generó otras partículas incluyendo parejas de quarks y antiquarks beauty (belleza o simplemente b), uno de los quarks 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.

Carlos Mariñas, doctor por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la 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, CISC-UV), el Instituto de Física de Cantabria (IFCA, 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.

El IFIC 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, uno de los responsables de la operación de Belle II. Además, el centro ha diseñado y producido la electrónica para comprobar el correcto funcionamiento de los diferentes módulos de DEPFET una vez ensamblados en 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.

Por parte de ITAINNOVA, el equipo que trabaja en este proyecto está integrado por Fernando Arteche, responsable de Sistemas Eléctricos de Potencia; y los ingenieros: Cristina Esteban, Mateo Iglesias, Iván Echeverría y Álvaro Pradas. Este último trabaja  desde hace más de un año en el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) de Ginebra, involucrado en el desarrollo del sistema de alimentación de los nuevos detectores de pixel para la segunda ampliación del experimento CMS.

El objetivo principal de la investigación de física fundamental que se lleva a cabo en el CERN es seguir obteniendo respuestas sobre el origen y constitución de la materia: de donde proviene la masa de la materia, qué es la materia oscura, la posible existencia de dimensiones que no percibimos, etcétera.

Esta actuación de difusión está cofinanciada por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional en el marco del Programa Operativo FEDER Aragón 2014-2020, cuyo lema es «Construyendo Europa desde Aragón».

Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER)

Construyendo Europa desde Aragón