Introducción 1. Modelo Estándar de la Física de partículas 2. Fuerzas Fundamentales en el MEFP 3. Diferencias entre partículas 4. La antimateria 5. Cuestiones sin resolver en el MEFP 6. Herramientas de estudio en Física de partículas 7. Método de estudio en Física de partículas
1. Modelo Estándar de Física de Partículas •
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Teoría actualmente en vigor, formulada en los años 70, para describir los elementos básicos, (partículas fundamentales y fuerzas), que existen en la naturaleza. El universo esta formado por dos tipos de partículas elementales: • 12 partículas materiales Fermiones organizadas en dos familias • 6 Leptones organizadas en tres familias • 6 Quarks organizadas en tres familias • 4 tipos de fuerzas Bosones
1.1. Diferencias entre Quarks y Leptones Quarks
Se ven afectados por la fuerza nuclear fuerte (Hadrones) Los quarks aparecen en grupos
de tres (Bariones)
Ejemplo: Protones y los Neutrones
de dos un quarks y un antiquark (Mesones)
Ejemplo: Piones y kaones
Leptones
No se ven afectados por la fuerza nuclear fuerte Pueden existir aislados
2. Fuerzas fundamentales en el MEFP •
El Modelo estándar de Física de Partículas señala tres fuerzas fundamentales en la materia del universo: •
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La fuerza electrodébil que se transmite por el fotón (bosón de la fuerzaelectromagnética) La fuerza nuclear débil que se transmite por los bosones débiles W+, W- y Z; La fuerza nuclear fuerte que se transmite por 8 tipos de partículas llamadas gluones
Todas estas fuerzas crean campos que pasan a través de la materia, donde los bosones son los responsables de llevar estas fuerzas entre las partículas de materia. Todos tienen carga neutra, a excepción de los bosones W, que tienen carga -1. Gluones y fotones tienen masa cero, por lo que según la relatividad general, deben viajar a la velocidad de la luz.
2. Fuerzas fundamentales en el MEFP •
Se supone la existencia de otros dos bosones, que aún no han sido detectados: •
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Bosón de Higgs, que en teoría es el encargado de dar a todas las partículas su masa Bosón Gravitón; que se encargaría de transmitir la gravedad. La gravedad no se considera una fuerza fundamental en este modelo, ya que es incompatible con muchos aspectos conocidos de la relatividad general, por lo que el gravitrón no es admitido por muchos físicos
3. Diferencias entre partículas •
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Uno de los valores que caracterizan a las partículas es su spin (algo así como si fuera su momento magnético). El spin diferencia claramente a las partículas que forman la materia (fermiones) de las que transmiten las fuerzas (bosones) y condiciona su funcionamiento Los fermiones tienen spin “entero + ½” (1/2 ó 3/2). Se encuentran regulados por el Principio de exclusión de Pauli y por tanto no pueden coexistir en el mismo estado en el mismo lugar al mismo tiempo. los bosones tienen spin “entero” (0, 1 ó 2), por lo tanto pueden coexistir.
4. La antimateria •
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La materia y la antimateria son perfectos opuestos. Para cara partícula hay una antipartícula, (positrón, antineutrino y antiquarks en cada una de las tres familias), para la cual las propiedades eléctricas son opuestas. Cuando la materia y la antimateria se encuentran, se aniquilan entre sí liberando energía (mc2 ) Posteriormente, pueden reaparecer como fotones y otros pares de partículas y antipartículas.
5. Cuestiones sin resolver en el MEFP Preguntas sin resolver
¿ Por qué el universo está dominado por la materia en lugar de anti-materia, si la materia y la antimateria se habrían producido en cantidades iguales durante el Big Bang ?
¿Cuál es el origen de la masa de las partículas? ¿Por qué algunas partículas tienen masa grande, mientras que fotones y neutrinos la tienen pequeña?
¿Por qué hay exactamente tres generaciones de la materia? Si realmente, toda la materia que conocemos está formada por partículas de la primera familia. Las partículas de las otras dos familias sólo son visibles en situaciones especiales como en los aceleradores de partículas.
¿Existe la materia oscura? ¿Está compuesta de un nuevo tipo de partículas?
6. Herramientas de estudio en Física de partículas •
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La física de partículas observa la materia en sus dimensiones más pequeñas. Los aparatos que se utilizan en este campo son los aceleradores y detectores de partículas
7. Método de estudio en Física de partículas 1. Concentrar energía en las partículas mediante un Acelerador de partículas 2. Colisionar las partículas en un blanco fijo o entre ellas 3. Examinar las colisiones e identificar las partículas creadas mediante un Detector de partículas
7.1. Acelerador de partículas •
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Dispositivos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas, hasta velocidades próximas a la de la luz, y hacerlas colisionar con un blanco fijo u otras partículas en movimiento. Su tarea es acelerar y aumentar la energía de un haz de partículas. El haz es acelerado mediante campos eléctricos y es dirigido y enfocado mediante campos magnéticos. Los resultados de las colisiones, de muy alta energía, generan nuevas partículas muy inestables y de muy corta vida, que permiten extraer información de los más pequeños componentes de la materia, lo cual se realiza en detectores estratégicamente situados. Suponen un entorno controlado que permite estudiar las partículas generadas y su proceso de desintegración, proporcionando valiosos datos para la Física de Partículas.
7.1.1. Tipos básicos de Aceleradores ACELERADOR LINEAL •
Dispositivo con un diseño lineal donde el haz de partículas se desplaza de un extremo al otro
ACELERADOR CIRCULAR •
Dispositivo con un diseño curvo en el haz de partículas viaja varias veces alrededor de un bucle, a alta velocidad, gracias a un campo magnético.
7.1.2. Ejemplos ACELERADOR LINEAL •
Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) Acelerador lineal de 3,4 km longitud.
ACELERADOR CIRCULAR •
Gran colisionador de Hadrones (LCH) del CERN: Dispone de varios aceleradores circulares en cadena, para alcanzar sucesivamente mayores energías.
7.1.3. Principales componentes de un acelerador •
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Campos eléctricos con cavidades de Radiofrecuencia (RF): Los campos eléctricos son los que proporcionan aceleración al haz de partículas. Las cavidades RF distribuidas intermitente a lo largo de la tubería proporcionan energía de radiofrecuencia al haz durante la aceleración hacia el máximo de energía, reponiendo la energía radiada, perdida por las partículas que se mueven a velocidades muy elevadas bajo un campo magnético uniforme (radiación sincrotón). Sistema de vacío: Sistema mediante el cual se realiza un vacío muy alto en el tubo de metal por donde viaja un haz de partículas, para reducir al mínimo la cantidad de gas presente y evitar colisiones entre las moléculas de gas y las partículas del haz. Electroimanes: Imanes que mantienen confinadas a las partículas dentro del túnel.
7.2. Detector de partículas •
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Aparato situado en los puntos donde se hacen colisionar las partículas que registran e identifican las partículas producidas en la colisión. Posee distintas partes con funciones diferentes, cada una especializada en detectar un tipo de partícula o propiedad. Las principales son: •
Dispositivo de seguimiento: detecta y muestra la trayectoria de una partícula.
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Calorímetro: detiene, absorbe y mide la energía de una partícula.
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Identificador: identifica el tipo de partícula.
Organizaci贸n Europea para la Investigaci贸n Nuclear (CERN) 8. Localizaci贸n e integrantes 9. Objetivos 10. Funciones 11. Hitos en la Historia del CERN
8.CERN: Localización e integrantes •
Mayor laboratorio del Mundo dedicado al estudio de la Física de partículas
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Situado en la frontera franco-suiza, cerca de Ginebra.
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Se fundó en 1954 por 12 países europeos, que se han ampliado a 20 en la actualidad Cuenta con la participación en sus programas de 8 países observadores, mantiene acuerdos de colaboración con estados no miembros y contactos científicos con usuarios de todo el mundo. España se unió al CERN en enero de 1961.
9. Objetivos de CERN Estudiar la Física de partículas y buscar respuestas a las preguntas sobre el Universo •
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El universo está constituido de bloques elementales de materia (partículas elementales) Todas estas partículas existen desde instantes posteriores al Big bang. Solo pudieron ser creadas en colisiones de alta energía. Por lo tanto, la recreación de los instantes iniciales del universo es fundamental para el estudio de su origen y su evolución posterior.
10. CERN: Funciones •
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Aportar aceleradores de partículas para la investigación de la estructura básica de la materia y las principales partículas que la componen. Proporcionar las infraestructuras necesarias para la investigación en Física de alta energía.
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Organizar y patrocinar la cooperación internacional en la investigación.
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Promocionar el contacto entre los científicos
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Facilitar el intercambio con otros laboratorios e institutos.
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Difundir la información obtenida
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Fomentar el avance tecnológico
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Formar a los científicos del mañana
11. Hitos de la historia del CERN
LHC 12. Gran Colisionador de Hadrones 13. Estructura 14. Funcionamiento 15. Investigaciones
12. Gran Colisionador de Hadrones •
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Es el mayor acelerador - colisionador de partículas que posee el CERN Se puso en funcionamiento en agosto de 2008 y en 2010 consiguió recrear un "mini Big Bang“ mediante el choque de iones. Se trata de un acelerador circular de 27 km de longitud y 8 km de diámetro. Se encuentra en el interior de un túnel, de 3,8 m de diámetro, a una profundidad media de 100 m.
12. Gran Colisionador de Hadrones
12. Gran Colisionador de Hadrones •
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El LHC utiliza los imanes bipolares y las cavidades de radiofrecuencia más potentes fabricadas hasta el momento. El interior del tubo del acelerador se encuentra dotado de una compleja estructura de imanes interconectados: • Con 1232 potentes imanes bipolares que obligan a los protones a describir órbitas circulares •
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Con 9300 imanes multipolares que focalizan los haces, impidiendo su dispersión debida a la repulsión eléctrica entre los protones
Las cavidades de radiofrecuencia acelerarán a los protones hasta la energía final de colisión.
12. Gran Colisionador de Hadrones
12. Gran Colisionador de Hadrones •
El LHC es el sistema criogénico más grande del mundo. • El LHC opera a la temperatura de 1,9 K. A esta temperatura todos los cables de los imanes dipolares (de niobio y titanio) se comportan como semiconductores conduciendo la corriente sin resistencia. • Como fluido refrigerante se utiliza nitrógeno líquido y helio superfluido que bajan la temperatura hasta los -271ºC, casi el cero absoluto, condición necesaria para compensar el calor generado por el paso de los haces de protones.
12. Gran Colisionador de Hadrones •
Las características de los tubos por donde circulan las partículas garantizan que no se desvíen de su trayectoria, así: • Se encuentran cerrados al vacío, la presión en su interior es del orden de una mil millonésima de atmósfera. • Sus paredes se encuentran revestidas de un material capaz de atrapar las moléculas de aire residual.
12. Gran Colisionador de Hadrones •
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El sistema de descarga de los haces de partículas del LHC está diseñado para realizar una rápida extracción desde el acelerador con mínimas pérdidas. Las partículas son extraídas en la sección de evacuación del anillo, y desviadas fuera del anillo por un sistema magnético que las envía a los bloques de descarga, lanzándolas contra cilindros de grafito de 8 m de longitud y 1 m de diámetro, donde se dispersan y se paran.
12. Gran Colisionador de Hadrones • •
El LHC posee 4 estaciones detectoras: ATLAS, ALICE, CMS, LHCb Puntos donde se hace colisionar los haces de hadrones que circulan en sentidos opuestos a velocidades próximas a la luz
13. Estructura del LHC (sectores) El LHC está subdividido en 8 SECTORES con: 8 SECCIONES y 8 INSERCIONES. •
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Un sector comienza en el medio de una sección y finaliza en el medio de la siguiente. Un sector contiene una total.
siempre inserción
Cada sector define una zona diferente según se está guiando a los haces de partículas hacia una colisión, o hacia su inyección, su descarga o su limpieza.
13. Estructura del LHC (secciones) •
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OCHO SECCIONES de 2.45 km de longitud, donde se localizan los dipolos magnéticos, por los que corren los haces de protones en sentidos opuestos. Cada sección contiene 154 dipolos magnéticos conectados en serie que constituyen un mismo sistema criostático.
Cada arco, con una estructura regular, contiene 23 “células" de 106.9 m de longitud, en las que se disponen ordenadamente los imanes dipolares principales, imanes cuadrupolares e imanes multipolares.
13. Estructura del LHC: Inserciones •
OCHO INSERCIONES, secciones rectas de 545 m de largo. •
Una inserción es una sección recta con dos regiones de transición, una en cada lado.
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Su diseño depende del uso específico que posea: colisiones, inyección, descarga de los haces o limpieza de los mismos.
14. Funcionamiento I •
El primer paso en el funcionamiento del LHC es la PRODUCCIÓN DE PROTONES •
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Los protones se obtienen en el Duoplasmatrón cilindro de metal en el que se inyecta hidrógeno, que sometido a un campo eléctrico se disocia en protones y electrones Este proceso da lugar a un 70 % de protones.
El segundo paso consiste en ACELERAR LOS PROTONES, lo cual se realiza en varias etapas: 1. Los protones son inyectados en el acelerador lineal (LINAC2) que los acelera hasta los 50 MeV.
14. Funcionamiento II 2. Cuando salen del Linac2 entran en el primer acelerador circular, PS Booster, para salir de él con 1.4 GeV. 3. El haz pasa al segundo anillo de aceleración el Sincrotrón de Protones (PS) donde es acelerado hasta los 25 GeV. 4. A continuación los haces son enviados al Súper Sincrotrón de Protones (SPS) donde se prepara a los protones para su entrada en el anillo principal, estos son acelerados hasta los 450 GeV, en un proceso que puede durar varios meses. 5. Finalmente, los protones son transferidos al LHC (en los dos sentidos), donde los haces de protones serán acelerados hasta los 7 TeV.
14. Funcionamiento III •
El tercer paso en el funcionamiento del LHC es la COLISIÓN •
Los protones viajan en grupos (bunches) de 7,48 cm de longitud y con 1 mm2 de sección, cuando están lejos de zonas de interacción, y son reagrupados en bunches de 16 x16 μm en las zonas de interacción, próximas a los detectores.
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Una vez que los haces de partículas alcanzan la velocidad deseada se sincronizan para que colisionen en uno 4 detectores (ATLAS, CMS, ALICE y LHCb) situados en cuatro enormes cavernas subterráneas localizadas alrededor del anillo que posee el LHC, según el tipo de estudio que se quiera realizar.
15. Investigaciones en el LHC •
En el LHC se realizan siete experimentos : • • • • • • •
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ATLAS CMS ALICE LHCb TOTEM LHCF MoEDAL
Cada experimento es distinto, y se realiza en los diferentes detectores que tiene el complejo o en complejos asociados. Se llevan a cabo mediante colaboración internacional, reuniendo a científicos de institutos de todo el mundo.
15.1. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) • •
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Es el detector más grande construido. Concebido para investigar las fuerzas fundamentales del Universo y la naturaleza básica de la materia. Objetivo: Detectar las partículas que aparecen tras la colisión de protones : Bosón de Higss, partículas de materia negra, energía oscura, etc. Sistema magnético toroidal, con ocho bobinas de imanes superconductores alrededor de un tubo. Detector interno. Diseño: barril más tapas finales Dimensiones: Mide 46 metros de largo, 25 metros de alto y 25 metros de ancho. Pesa 7000 toneladas. Agrupa a 2 300 científicos de 37 países
15.1. ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS)
15.2. CMS (Compact Muon Solenoid) •
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Concebido para investigar las fuerzas fundamentales del Universo y la naturaleza básica de la materia. Objetivo: Detectar las partículas que aparecen tras la colisión de protones : Bosón de Higss, partículas de materia negra, etc.
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Sistema magnético solenoide (enorme imán en forma de bobina cilíndrica)
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Diseño: barril más tapas finales
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Dimensiones: 21 m de largo, 15 m de ancho y 15 m de altura. Pesa 12 500 T
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Agrupa a: 2000 científicos de 37 países
15.2. CMS (Compact Muon Solenoid)
15.3. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) •
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Estudia las interacciones entre iones relativistas (iones que alcanzan velocidades próximas a la de la luz). Objetivo: La física de la interacción fuerte a densidades muy altas, en la que se forma una nueva fase de la materia: el plasma quark – gluón. A estas altas densidades y temperaturas podría verificarse el estado de desconfinamiento (quarks y gluones libres) y la llamada restauración de la simetría quiral, en la que las masas de todos los quarks son cero. Se intenta reproducir como era el universo instantes después del Big Bang.
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Diseño: barril central más espectrómetro de muones delantero , de un solo brazo.
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Dimensiones: 26 m de largo, 16 m de ancho. Pesa 10 000 T
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Agrupa a: 1000 científicos de 29 países
15.3. ALICE (A Large Ion Collider Experiment) Los componentes principales son: •
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Parte central compuesta de detectores dedicados al estudio de señales de hadrones y electrones. De distinguen: •
Detector interno (ITS)
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Detector HMPID que determina la velocidad de las partículas
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Cámara TPC que es el sistema principal de rastreo de iones pesados
Cámara de rastreo que registra el rastro que dejan las partículas cargadas, proporcionando imágenes en tres dimensiones. Espectrómetro de muones dedicado al estudio del comportamiento de
los quarkonios (mesones
formados por la pareja de un quark y su antiquark) en la materia de alta densidad. •
La parte central está encajada en un gran solenoide de campo magnético débil (corriente 6000 A , campo 670 miliTesla).
15.3. ALICE (A Large Ion Collider Experiment)
15.4. LHC b (Large Hadron Collider beauty) •
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Objetivo: Investigar las diferencias entre la materia y la antimateria, para intentar explicar porqué el universo, que probablemente nación con cantidades iguales de ambas, está actualmente dominado por materia. Diseño: espectrómetro delantero con detectores planos Dimensiones: 21m de largo, 10m de altura y 13m de ancho . Peso: 5600 toneladas Agrupa a: 650 científicos de 13 países
15.4. LHC b (Large Hadron Collider beauty) • •
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Las partes fundamentales son: Detector de vértice que registra las trayectorias de las partículas cerca del punto de colisión para detectar las desintegraciones que contienen quarks y antiquarks. Detectores de anillos Cherenkov (RICH) pieza clave en la identificación de partículas. Detector de trazas que mide con precisión las trayectorias de las partículas cargadas en una región próxima a la colisión. Subdetector de muones: formado por 5 unidades rectangulares que en conjunto cubren un área de 435 m2., que se encarga de detectar los muones.
15.4. LHC b (Large Hadron Collider beauty)
15.5. TOTEM • •
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TOTEM está ubicado a unos 200 metros a un lado del detector CMS . Objetivo: medir la sección eficaz total protón- protón y controlar con precisión la luminosidad del LHC Se estudian colisiones en las que uno de los protones "sobrevive" y el otro da lugar a nuevas partículas que salen con dirección frontal, y también colisiones en las que los dos "sobreviven" deflectándose ligeramente uno al otro. Posee tres tipos de detectores: • Roman Pot: utilizado para detectar protones • Cathode Strip Chambers y el detector GEM: que miden los chorros de partículas producidas en las colisiones que salen frontalmente del punto de colisión. Dimensiones: 440 m de longitud, 5 m de altura y 5 m de anchura. Peso 20 T Agrupa a: 80 científicos de 8 países
15.5. TOTEM
15.6. LHCF (LHC forward) • •
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LHCf se sitúa a unos 140 m al lado del ATLAS Utiliza partículas creadas en el interior del LHC como una fuente para simular los rayos cósmicos en condiciones de laboratorio. El objetivo de este experimento es el estudio de las secciones eficaces para la producción de partículas neutras generadas en direcciones prácticamente paralelas a las de los haces de protones o núcleos. Este estudio es muy importante para la comprensión de las cascadas de partículas producidas en la atmósfera como consecuencia de las colisiones de Rayos Cósmicos de Ultra Alta energía. Sus detectores son dos calorímetros electromagnéticos de sólo 10 cm largo, 30 cm ancho y 90 de alto. Sus dos detectores, pueden medir con gran precisión el número y energía de los piones neutros y otras partículas producidas en choques frontales Agrupa a: 22 científicos de 4 países
15.6. LHCF (LHC forward)
15.7. MoEDAL (the Monopole and Exotics Detector At the LHC) •
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El experimento MoEDAL va destinado a la búsqueda de partículas muy exóticas monopolos magnéticos y partículas masivas (SMPs). Tiene unas dimensiones modestas y esta ubicado en la caverna en la que se encuentra el experimento LHCb, más exactamente añadido al VELO.