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PERSONAL
El Laboratorio de Física de Altas Energías está formado por un grupo de investigación, el Grupo de Altas Energías, que se encuentra en el Departamento de Física de Partículas de la USC. En la actualidad, el grupo está compuesto por los investigadores siguientes: Bernardo Adeva Andany, catedrático y director del grupo. Profesores en plantilla: Máximo Pló Casasús (catedrático), José Ángel Hernando Morata (titular), y Juan José Saborido Silva (coordinador del proyecto de computación GRID para el CERN en la Universidad de Santiago). Investigadores: Abraham Gallas Torreira (Ramón y Cajal), Pablo Vázques regueiro (Parga Pondal), Carmen Iglesias Escudero (Ángeles Alvariño), Marcos A. Seco Miguélez (postdoc proyecto GRID). Estudiantes de doctorado: Daniel Esperante Pereira, Diego Martínez Santos, José Luis Fungueiriño Pazos, Xabier Cid Vidal, Celestino Rodríguez Cobo, Paula Álvarez Cartelle. Tecnólogos: Eliseo Pérez Trigo, Pablo Rodríguez Pérez. Técnico especialista en microelectrónica: Antonio Pazos Álvarez.
INTRODUCCIÓN
La actividad del grupo se ha centrado, desde su creación en 1992, en la realización de experimentos relacionados con la física de los quarks, tanto de sus interacciones electrodébiles como fuertes. Estos experimentos se llevan a cabo utilizando los haces de partículas de altas energías que nos proporcionan los distintos aceleradores del CERN . En la actualidad, el proyecto principal del grupo consiste en la determinación de las fases relativas entre los distintos quarks, especialmente en la tercera generación (doblete top/bottom), a través de las asimetrías CP observadas en la producción de partículas que contienen el quark b. La no-conservación de la simetría CP consiste en que las desintegraciones de quarks y antiquarks, en estados opuestos de helicidad, no tienen lugar con la misma amplitud. El objetivo último de las investigaciones está en arrojar luz sobre los mecanismos que generan las masas de los quarks (y de los fermiones en general, incluidos los neutrinos), así como sobre el fenómeno de mezcla entre familias, uno de cuyos aspectos más notorios es la citada falta de simetría CP (Kobayashi-Maskawa, 1974). Una motivación adicional de las investigaciones es la certeza (Sakharov, 1967) de que la no conservación de la simetría CP en los primeros instantes del universo, es uno de los ingredientes necesarios para explicar la ausencia de antimateria observada en el espacio interestelar.
La falta de simetría CP fué descubierta en 1964 como un efecto muy pequeño (0.1%) en desintegraciones de partículas con quarks ligeros, y durante el año 2003 se ha observado en aniquilaciones electrón-positrón en pares bb que ésta alcanza valores de hasta un 30%. Las observaciones realizadas en SLAC (EE.UU.) y en KEK (Japón) son ahora compatibles entre sí y confirman este dato espectacular. El estudio detallado de los ángulos de mezcla entre las distintas generaciones de quarks, incluyendo la prueba de unitariedad con tres familias, requiere disponer de una estadística muy elevada en el estudio de las desintegraciones, así como la posibilidad de acceder experimentalmente a los modos de desintegración del mesón Bs. Esto será difícil en los colisionadores e+e-, debido a la baja velocidad de los mesones producidos, y al menor acoplo de los estados vectoriales bb por encima del 4s.
Desde 1998 existe la propuesta técnica, presentada por distintos grupos en el CERN , entre ellos el nuestro de la USC (LHCb Technical Proposal, CERN/LHCC 98-04), de utilizar el Large Hadron Collider del CERN, que es el mayor acelerador de partículas construido hasta la fecha, como máquina ideal para el estudio detallado de la no conservación CP. El CERN ha aprobado este proyecto, y a él se dedica íntegramente una de las cuatro áreas experimentales del colisionador ( LHCb ), a 100 m de profundidad. El LHC producirá una colisión protón-protón a 14 TeV en su centro de masas cada 25 ns. Este esquema proporciona simultáneamente la elevada energía necesaria para producir quarks pesados , y la luminosidad precisa para obtener un elevadísimo flujo de quarks b en la dirección hacia adelante (estimada en 107 /s).
Desde la aprobación por el CERN del experimento LHCb , hemos desarrollado una serie de etapas con el objetivo de dilucidar las mejores tecnologías a utilizar en las distintas partes del dispositivo experimental. La USC ha focalizado su interés en el tracker de bajo ángulo ( CERN/LHCC 2002-020 TDR 8 ) , que se construirá utilizando tecnología de semiconductores, concretamente detectores de micropistas de Silicio p+ implantado sobre un sustrato n de 300 micras de grosor. Este subdetector consta de 300.000 canales electrónicos digitalizados, que deben ser leídos en sincronía con el entrecruzamiento de haces de protones en el acelerador. Su información es clave para la determinación del momento de las partículas observadas. La responsabilidad en la construcción de este tracker es compartida entre la USC y las universidades de Zurich, Lausanne y Heidelberg.
Unos de los aspectos esenciales para poder llevar a cabo el experimento en la USC es el desarrollo de una infraestructura de computación GRID, en colaboración con el CESGA y con una serie de grupos españoles relacionados con el CERN, que nos permita procesar y analizar el enorme volumen de datos que nos llegará con el inicio de las colisiones en Abril de 2007. Más adelante se dan algunos detalles sobre los proyectos que actualmente desarrolla el grupo, y las líneas de trabajo involucradas.
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RECURSOS INSTRUMENTALES DEL GRUPO
La propuesta y realización de experimentos de física de quarks en aceleradores requiere generalmente el desarrollo de nuevas tecnologías de detección de partículas, que no se encuentran disponibles comercialmente. Esto se refiere tanto a las técnicas de detección, como a su electrónica asociada.El Laboratorio de Física de Altas Energías está actualmente equipado para el desarrollo y manipulación de detectores semiconductores de micropistas de silicio. En el caso del LHC, la necesidad de innovar se extiende también al sistema de procesado de los datos en las redes locales y al intercambio de información entre ellas (proyecto GRID), en vista del volumen sin precedentes de los datos a analizar.
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Los equipos más relevantes de los que se dispone en nuestro laboratorio son:
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Máquina de microsoldadura automática ultrasónica Kulicke&Soffa
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Micromanipuladores, microscopios y cámaras CCD para el manejo de micropistas
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Cluster de computación GRID (Tier2 para LHCb, ubicado en el CESGA) formado por 380 cores de distintas velocidades.
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Electrónica VME de control y adquisición de datos
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Dinamómetro de precisión (pull-tester) para prueba de microsoldaduras
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Láser infrarrojo focalizable sobre micropistas
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Máquina manual de microsoldadura y salas limpias asociadas
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Picoamperímetro, fuentes de alimentación y chassis de electrónica CAMAC y NIM
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Estación de irradiación por rayos X con fuente de alimentación estabilizada
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Matriz de 80 fotomultiplicadores de alta resolución temporal
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Cluster interno de 10 PCs LINUX para procesado de datos y análisis
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LINEAS DE INVESTIGACIÓN
Se mencionan a continuación los proyectos técnicos que actualmente desarrolla el grupo. Simultáneamente con éstas tareas, antes del inicio del experimento, está prevista la participación dirigida de estudiantes de doctorado en los grupos de trabajo creados en el CERN para el estudio de las asimetrías CP en nuevos canales, y para la búsqueda de desintegraciones de quarks pesados que, prohibidas en la teoría electrodébil, puedan suponer el descubrimiento de nueva física.
a) Construcción del Silicon Tracker de LHCb
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El Grupo de Altas Energías de la USC es corresponsable, junto con los grupos de Zurich, Lausanne y Heidelberg, de la construcción e instalación en el acelerador del LHC del Silicon Tracker de LHCb . El proyecto actualmente en curso consiste en llevar a cabo, junto con el segundo de los grupos citados, una cadena de montaje y pruebas de las tres estaciones de micropistas de silicio (ST1-ST2-ST3) que se sitúan alrededor de la tubería del haz de protones del LHC. Ello requiere un control exhaustivo de todos los parámetros de operación del tracker, para garantizar su perfecto funcionamiento, en términos de eficiencia y resolución espacial, durante el tiempo de vida del experimento, que se estima en 10 años. Resulta especialmente crítica la elevada ocupación de partículas cargadas que se espera en estas estaciones, al disiparse sobre ellas la enorme energía concentrada por el acelerador en los protones colisionantes, cuya masa relativista se verá aumentada en un factor 7000. Los daños causados por la irradiación sobre los sensores y sobre la electrónica asociada deben ser evaluados, lo cuál requiere la realización de pruebas con haz en el CERN. De acuerdo con las previsiones de irradiación, el sistema de alimentaciones eléctricas debe dotarse de un estricto sistema de monitor y control, operativo desde la sala de operaciones del experimento, lo cuál es una de las tareas de nuestro grupo. Otro aspecto de especial importancia es la adecuada realización de la microsoldadura de los ASIC de la electrónica frontal, que debe realizarse directamente sobre las pistas detectoras, y sobre los circuitos híbridos necesarios. El muy elevado número de conexiones (varios cientos de miles) y su estabilidad, exige un sistema completamente automatizado, y un entrenamiento específico de nuestro equipo de técnicos. |
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b) Desarrollo de infraestructura de computación GRID para análisis de datos de LHCb. |
El acelerador LHC generará cada año unos 12 millones de GigaBytes (~20 millones de CD´s) de datos, y trabajarán en su análisis del orden de 6000 físicos repartidos por universidades y laboratorios de todo el mundo. Esto supone un desafío computacional sin precedentes, tanto desde el punto de vista del volumen de datos a analizar como de la complejidad implícita en el trabajo coordinado de 6000 personas sobre una base de datos distribuida geográficamente por todo el planeta. Se estima que serían necesarios unos 100000 PC´s de hoy en día para procesar los datos que se generarán en un año. Cuando en 2008 el LHC entre en operación, los procesadores serán más potentes y se necesitarán menos PC´s, pero aún así será un número muy elevado y estarán distribuidos por todo el mundo. En pocas palabras, podríamos decir que el objetivo de los proyectos de computación GRID es conseguir que todos estos ordenadores funcionen conjuntamente creando al usuario final la ilusión de estar frente a superordenador de potencia infinita.
Este objetivo supone un desafío científico formidable, porque no se trata simplemente de aunar la potencia de esos ordenadores para que trabajen como uno sólo en una tarea específica, sino que tendrán que poder realizar eficazmente todas las tareas propias del trabajo científico del físico de partículas. Esto implica multitud de procesos heterogéneos ejecutándose simultáneamente en numerosas CPU´s y accediendo a bases de datos diseminadas por todo el planeta. La seguridad en la red y el sistema de autorización y verificación de usuarios, por citar sólo un aspecto del problema, plantea la necesidad de desarrollar complejos paquetes de software de administración. |
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Se denomina GRID middleware al software necesario para que los recursos de cálculo distribuidos funcionen de la manera que hemos explicado, y uno podría imaginarlo como un meta sistema operativo que gestiona un ordenador virtual planetario, de modo análogo a como un sistema operativo tradicional gestiona los recursos de un único ordenador y hace que los puedan usar simultáneamente varios usuarios.
La Universidad de Santiago de Compostela participa, coordinadamente con otros grupos españoles, en el proyecto de computación GRID para el LHC, conocido mediante las siglas LCG (http://lcg.web.cern.ch/LCG). El objetivo del proyecto LCG, y en particular de su versión española LCG-ES, es establecer un sistema de computación GRID para los físicos de partículas de altas energías. En colaboración con el Centro de Supercomputación de Galicia (CESGA) y la Universidad de Barcelona, estamos operando un centro Tier2 para el experimento LHCb del CERN que consta en la actulidad de cerca de un centenar de nodos de cálculo. Este centro forma parte del GRID inicial creado por universidades y laboratorios de todo el mundo para los experimentos del LHC. La infraestructura GRID irá extendiéndose en el futuro hasta conformar una verdadera red planetaria, como ha pasado con la World Wide Web.
Las aplicaciones de la computación GRID trascienden, por supuesto, la física de partículas. Prácticamente todas las disciplinas científicas van a verse beneficiadas de los resultados de estos proyectos de investigación. |
c) Análisis de datos del experimento DIRAC
En el momento presente, el grupo realiza la terminación del análisis de datos del experimento de precisión DIRAC, llevado a cabo en el acelerador PS del CERN, cuyo objetivo es la observación en el laboratorio del Pionium (estado ligado pi+ pi-), y la medida de su vida media, que la Teoría de Perturbaciones Quiral (Gasser-Leutwyler, 1985), rigurosa en QCD, predice en 3.1 femtosegundos. Este átomo hidrogenoide se desintegra únicamente merced a la ruptura de la simetría quiral originada por el vacío hadrónico. Las masas primordiales de los quarks ligeros, no muy bién conocidas en la actualidad, se encuentran también implicadas en dicha ruptura de simetría. Ningún experimento hasta la fecha ha podido observar en el laboratorio la desintegración de este tipo de átomos. Esta línea de trabajo se encuentra en fase muy avanzada, y se basa en la utilización del espectrómetro instalado en el CERN, Nucl. Inst. Methods, A515 (2003) 467. , dos de cuyos detectores clave fueron concebidos y realizados por nuestro grupo de la USC, a saber, el tracker MSGC/GEM y el detector de tiempo de vuelo, que pueden verse abajo una vez instalados en el acelerador PS.
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