Large Hadrons Collider

Este fin de semana se ha obtenido un nuevo récord de luminosidad en el LHC del CERN que avanza viento en popa

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Este fin de semana (7-8 de agosto) el LHC del CERN ha logrado un nuevo récord de luminosidad pico (número de colisiones por segundo). Ya permite que cada haz contenga 25 paquetes de protones y el objetivo óptimo este año es alcanzar 750 (384 según un artículo en ICHEP 2010) paquetes por haz. En marzo del año próximo el LHC debería alcanzar 796 paquetes de protones por haz para garantizar que a finales de año se cumplan todos los objetivos plenamente. El LHC del CERN avanza viento en popa y a toda marcha. ¡Enhorabuena a todos los que trabajan en el CERN! Para los aficionados a números más técnicos os indicaré que el récord alcanzado este fin de semana ha sido una luminosidad pico o instantánea equivalente a 0’13 /fb/año (inversos de femtobarn al año). Para lograr el objetivo del LHC para el próximo año (2011), que es obtener 1/fb de colisiones acumuladas, se deberá lograr este año una luminosidad pico mantenida de unos 0’13/fb/mes (en LHC funcionará entre febrero y octubre, unos 8 meses). Este año el LHC funcionará hasta octubre (en colisiones protón-protón, después colisionará durante un mes iones pesados). Nadie duda que el LHC logrará alcanzar en los próximos 3 meses una luminosidad pico 12 veces mayor que la actual. Ya ha logrado incrementos mayores en sus primeros cuatro meses y el LHC está funcionando mejor de lo esperado. Este fin de semana también hay que celebrar que el LHC ha logrado acumular un número total de colisiones de 1/pb, 1000 veces menos que lo que tendrá que lograr el año que viene (ATLAS y CMS alcanzarán este número esta semana en curso). Buenas noticias para todos los que seguimos al LHC. Nos lo han contado en todos los foros que siguen al LHC. La figura que abre esta entrada también ha sido elegida por Philip Gibbs para comentar esta noticia en ”Another record luminosity at LHC,” viXra log, August 7, 2010.

Y ya que estamos hablando del LHC, un colisionador de hadrones, no me resisto a poneros la siguiente ilustración de la diferencia entre una colisión entre dos hadrones (protones o antiprotones) y dos leptones (electrones o muones). En una colisión protón-protón a 7 TeV colisionan unas 50 partículas contra otras 50 partículas en dada protón. Además, cada haz lleva paquetes de muchos protones. El resultado es que las colisiones son bastante “sucias” comparadas con lo que sería una colisión “limpia” entre dos leptones, en la que solo colisionan una partícula contra otra.

Aquí tenéis una representación clásica de un protón. Un saco de tres quarks de valencia (las bolas azules solitarias) junto a muchos gluones (líneas a garabatos) y pares quark-antiquark (pares de bolas azul-verde). Un protón es un objeto muy complicado. En las colisiones en el LHC del CERN entre dos protones lo que en realidad se observan son colisiones quark contra quark, quark contra antiquark, gluón contra quark, y gluón contra gluón. Los diagramas de Feynman de esta figura ilustran todas estas posibilidades.

Ya lo hemos contado en varias ocasiones en este blog, pero a veces hay que repetirlo. ¿Cómo se mide el número de colisiones por segundo en un colisionador? Yo he utilizado las unidades 1/fb y 1/pb ¿qué significan? La probabilidad para un modo de colisión/desintegración entre partículas se denomina sección eficaz. La sección eficaz es un área o superficie y se suele medir en barn. Un barn es, más o menos el área transversal de un núcleo de uranio, en concreto 10^-28 m². La luminosidad es el número de partículas por unidad de superficie y por unidad de tiempo en un haz (de partículas). ¿Unidad de superficie? Sí, porque en los detectores se mide un flujo incidente, un número de partículas por unidad de tiempo que incide en una unidad de área de detector. La luminosidad instantánea es la luminosidad pico y se mide unidades inversas de sección eficaz por unidad de tiempo. Por tanto, 1/fb/año es un inverso de femtobarn por año. La luminosidad integrada o acumulada es la integral (suma) de la luminosidad instantánea y se mide en unidades inversas de sección eficaz. Por tanto, 1/fb de colisiones se obtiene tras 1 año de colisiones a 1/fb/año, donde 1 pb (picobarn) = 10^-12 barn, 1 nb (naoobarn) = 10^-9 barn, y 1 fb (femtobarn) = 10^-12 barn. Aproximadamente, en el LHC 0’1/fb son mil millones de colisiones. El objetivo para el LHC durante el bienio 2010-2011 es obtener unos diez mil millones de colisiones protón-protón con una energía en el centro de masas de 7 TeV (teraelectrónvoltio).

PS: Los dos detectores principales del LHC, tanto ATLAS como CMS, ya tienen un inverso de picobarn de colisiones almacenadas en disco. Pronto empezaremos a leer resultados interesantes de estos datos. Como nos recuerdan en ”His First Inverse Picobarn,” Resonaances, 9 August 2010, un 1/pb en el LHC a 7 TeV c.m. equivale a producir (que no es lo mismo que detectar) 200000 bosones W, 60000 bosones Z, 1000 pares de quarks top, y entre 10-20 bosones de Higgs bosons (para una masa de unos 120 GeV/c²).

PS: Muy buena entrada sobre el estado actual y el futuro cercano del LHC en Philip Gibbs, “LHC Progress and Plans for August and Beyond,” viXra log, August 9, 2010. Agosto será un mes crítico (la energía en los imanes ronda el millón de julios y valor “peligroso” para la máquina). Este mes se dedicará entero a colisiones y a aprender a manejar la máquina a 25 paquetes de protones por haz. Se espera que en agosto se obtenga un segundo inverso de picobarn de colisiones. Buenas noticias para los que buscan nueva física escondidado en los datos del LHC.

Crónicas del LHC – I

12/03/12

LHC, la máquina más grande y compleja de la Tierra, es un acelerador de partículas diseñado especialmente para realizar descubrimientos que otros no pueden. Entre los numerosos descubrimientos que se pretenden realizar mediante el LHC, el del bosón de Higgs es el más conocido, pues es la única pieza del Modelo Estándar de la Física de Partículas aún sin observar, y un elemento clave de toda la Física de Altas Energías tal como la entendemos hoy en día. Para entender cómo el LHC va a ser capaz de descubrir (o excluir) la existencia del bosón de Higgs en los próximos meses, es importante tener en cuenta los resultados que el LHC ha producido hasta ahora. En este primer post pretendemos hacer un breve recorrido de los sucesos más relevantes que han ocurrido en el LHC en torno a la búsqueda del Higgs, así como sobre la relevancia de los mismos.

Construir el LHC llevó 13 años de esfuerzo y la colaboración continuada de científicos e ingenieros de más de 100 países distintos. Una vez construido el LHC, sin embargo, observar el bosón de Higgs no es algo instantáneo ni automático. Por el contrario, es necesario utilizar el LHC para hacer numerosas mediciones durante largos periodos de tiempo para determinar si el Higgs existe o no. Parte del problema es que el Modelo Estándar de la Física de Partículas, que describe varias propiedades de este bosón, no nos dice la masa que el Higgs debe tener. Por lo tanto, a la hora de hacer experimentos con el LHC es necesario pensar que el bosón de Higgs puede tener cualquier masa, y poco a poco ir excluyendo regiones de masa donde el Higgs no pueda existir. Esto es posible porque para diferentes masas del Higgs deberían ocurrir distintos tipos de sucesos tras las colisiones de partículas, así que mediante la recopilación de datos se pueden ir excluyendo zonas de masas. Esta exclusión de zonas se hace de manera más eficiente a medida que el acelerador se va mejorando y se convierte en una máquina más potente y eficaz.

Recordemos que el LHC realiza experimentos colisionando haces de protones y midiendo lo que ocurre tras la colisión. Para entender la capacidad del LHC para determinar la existencia o no del bosón de Higgs es necesario tener en cuenta dos características de los haces de protones: su energía y su intensidad o luminosidad.

La energía de los haces se mide en unidades de Tera-electrón-Voltios (TeV) y es una cantidad fundamental para el experimento. A mayor energía las colisiones entre protones son más fuertes y pueden ocurrir procesos que a menores energías no son posibles. En particular, a mayor energía se pueden producir procesos en los que intervienen partículas más y más pesadas (recordemos que mediante la ecuación de Einstein E = mc2 es posible convertir energía en masa, y por lo tanto emplear unidades de energía para medir la masas de las partículas). Por lo tanto, para buscar un Higgs de una masa elevada es necesario colisionar haces de partículas con una energía elevada. Una de las razones por la que se desmanteló el anterior experimento del

CERN, llamado LEP, para construir el LHC en su lugar fue porque en LEP se colisionaban haces de electrones y positrones, y la energía que pueden llevar estos haces es limitada. Los haces de protones que se aceleran en el LHC llevan mucha más energía, lo que permite explorar un rango de masas para el Higgs mucho más extenso. Otra ventaja de colisionar protones frente a otro tipo de partículas es que permite explorar de manera simultánea un amplio rango de energías, sin necesidad de realizar ajustes en el acelerador. Esto es debido a que los protones no son partículas elementales, sino que están formadas por constituyentes más fundamentales denominados partones (quarks y gluones), de modo que cada partón lleva sólo una fracción de la energía total del protón.

La luminosidad está relacionada con el número de colisiones que se producen cuando chocan los dos haces de partículas. Sin entrar en tecnicismos, se puede definir como el número de protones que atraviesan una superficie de un centímetro cuadrado en un segundo y por tanto nos da una idea del número de protones que contiene el haz en un instante dado. Se trata de un aspecto de gran importancia pues, por las reglas de la mecánica cuántica, a mayor número de colisiones mayor probabilidad de que se produzca un determinado suceso, y en particular un suceso donde participe el bosón de Higgs. Una luminosidad elevada permite obtener en un periodo de tiempo razonable una buena estadística de todos los sucesos que ocurren cuando chocan dos haces de partículas, y esto es fundamental para poder contrastar con las probabilidades para estos sucesos que predice el Modelo Estándar. Una forma de estimar la cantidad de información útil que el LHC ha acumulado desde su puesta en funcionamiento es ir añadiendo la luminosidad del haz durante todo el periodo de tiempo durante el cual el LHC ha estado corriendo. Esto es lo que se conoce como luminosidad integrada. Como el número de colisiones es tan elevado, la luminosidad integrada se suele medir en unidades de femtobarn inverso (1 fb-1 = 1039 cm-2).

Cantidades como la luminosidad nos permiten medir que buen control estadístico tenemos sobre nuestro experimento. En este sentido, es importante resaltar que los descubrimientos o exclusiones que se hacen en un acelerador o en cualquier otro experimento que involucre a la mecánica cuántica son necesariamente de naturaleza estadística. Así, en el campo de la Física de Altas Energías existe la costumbre de no proclamar un descubrimiento hasta que la probabilidad de que la medida sea debida a una fluctuación estadística se estime inferior a cinco desviaciones estándar (cinco sigmas, a las que hace referencia el título del blog), es decir de aproximadamente una parte en un millón.

En el caso particular del bosón de Higgs, su existencia se intenta demostrar o refutar a través de distintos procesos o canales. Por ejemplo, en la figura de arriba se presenta el diagrama de uno de estos canales. En él, un gluón perteneciente a uno de los protones emite un quark que es absorbido por otro gluón perteneciente al otro protón involucrado en la colisión. En este proceso, el gluón que emite el quark se desintegra en un antiquark, mientras que el gluón que absorbe el quark se desintegra en un quark. El quark y antiquark que resultan de estas dos desintegraciones colisionan entre sí para producir un bosón de Higgs. Esta forma de producir el bosón de Higgs se conoce como fusión de gluones. El bosón de Higgs es inestable y rápidamente se desintegra, por ejemplo en dos bosones W que a su vez se desintegran, cada uno de ellos, en un leptón (como por ejemplo, un electrón) y un neutrino. Así pues, una de las consecuencias de la existencia del bosón de Higgs (para el rango de masas adecuado) es un exceso estadístico en el número de colisiones cuyo producto final son dos leptones y dos neutrinos. Otros canales que se emplean en la búsqueda del Higgs son aquellos en los que el producto final son dos fotones o cuatro leptones. En general, los canales preferidos son aquellos que no involucran quarks, gluones o neutrinos en el producto final. En el caso de los quarks y gluones, esto es debido a que interaccionan a través de la interacción fuerte, luego producen tal cantidad de procesos que es muy difícil detectar el exceso estadístico que produciría el Higgs. Por otro lado los neutrinos, debido a que sólo interaccionan mediante la interacción débil, en general escapan del detector sin ser detectados.

A pesar de ser el experimento más poderoso hasta la fecha, el LHC no es el primero en buscar el bosón de Higgs. Existen importantes experimentos anteriores, como LEP o Tevatron, que intentaron probar sin éxito la existencia del Higgs, consiguiendo sin embargo poner cotas al valor de su masa. En particular, LEP mostró que en caso de existir el bosón de Higgs del Modelo Estándar, éste tendría que tener una masa superior a 114.4 GeV. Además, medidas precisas sobre procesos que involucran la interacción electrodébil mostraron que su masa no debería ser muy superior a esta cota. Por otro lado, el recién clausurado acelerador de partículas Tevatron, en el laboratorio americano Fermilab, excluyó la existencia del bosón de Higgs en el rango de masas 158 – 175 GeV. A estas cotas experimentales debemos añadir además la inconsistencia teórica del Modelo Estándar (pérdida de unitariedad) cuando la masa del Higgs es muy elevada.

La situación anterior al LHC se puede por tanto resumir en la siguiente figura:

Terminamos pues con una breve cronología de los sucesos más relevantes que han acontecido hasta ahora en el LHC en torno a la búsqueda del bosón de Higgs:

30 de marzo del 2010 – Primeras colisiones en el LHC a 3.5 TeV por haz de protones. Comienza la acumulación de datos relevantes para el Higgs. Se trabaja en incrementar progresivamente la luminosidad de los haces.

17 de junio del 2011 – Los dos principales detectores del LHC, ATLAS y CMS, acumulan cada uno una luminosidad integrada de 1 fb-1. Con esta cantidad de datos el potencial del LHC para detectar el Higgs supera al de experimentos anteriores.

22 de julio del 2011 – Se presentan en Grenoble los primeros resultados del LHC sobre la búsqueda del Higgs, en la International Europhysics Conference on High Energy Physics (HEP-EPS). CMS excluye la existencia del bosón de Higgs del Modelo Estándar con masas en los rangos 149 – 206 GeV y 300 – 440 GeV. ATLAS excluye las regiones 155 – 190 GeV y 295 – 450 GeV. Ambos experimentos observan un cierto exceso (unas 3 desviaciones estándar) en el canal de dos leptones y dos neutrinos compatible con un Higgs con una masa de unos 130 – 140 GeV, junto con algunas colisiones cuyo producto final son cuatro leptones o dos fotones.

22 de agosto del 2011 – Se presentan nuevos resultados en la conferencia Lepton-Photon, en Mumbai, basados en más cantidad de datos (en algunos canales hasta 2 fb-1 de luminosidad integrada). El Higgs del Modelo Estándar queda excluido en el rango de masas 145 – 466 GeV, excepto por una pequeña ventana en los 288 – 296 GeV. El exceso en la región 130 – 140 GeV se desvanece, se trataba de una fluctuación estadística.

18 de noviembre del 2011 – ATLAS y CMS presentan en París la combinación de los datos presentados de agosto. El análisis combinado excluye la región 141 – 476 GeV.

23 de octubre del 2011 – ATLAS y CMS acumulan cada uno una luminosidad integrada de 5 fb-1.

13 de diciembre del 2011 – Se presentan nuevos resultados. Tanto ATLAS como CMS ven un exceso de unas 3 desviaciones estándar en torno a 125 GeV, en los canales donde el producto final son dos leptones y dos neutrinos, cuatro leptones o dos fotones (el pico de ATLAS se encuentra en 126 GeV mientras que el que observa CMS está en 124 GeV). La señal es consistente con lo que se esperaría observar con esta cantidad de datos si el bosón de Higgs existe y tiene esa masa. Por otro lado, ATLAS excluye la existencia del bosón de Higgs con una masa superior a 130 GeV o inferior a 115.5 GeV, mientras que CMS la excluye por encima de 127 GeV.

8 de febrero del 2012 – CMS y ATLAS actualizan el análisis de los resultados presentados en diciembre. CMS observa un nuevo exceso en colisiones cuyo producto final son dos fotones y dos quarks. El exceso es compatible con los observados en los otros canales y sigue apuntando a la existencia del bosón de Higgs con una masa en torno a los 125 GeV.

7 de marzo del 2012 – ATLAS y CMS presentan la actualización del análisis de sus datos en la conferencia de Moriond, en los Alpes franceses. Entre ambos detectores prácticamente dejan sólo sin excluir la posibilidad de un Higgs con una masa en el intervalo de 122.5 – 127.5 GeV, manteniéndose el exceso observado en torno a los 125 GeV. Por otro lado Tevatron presentó también un análisis de sus últimos datos recogidos antes de ser desmantelado, con ciertas mejoras en el análisis de canales que involucran la interacción fuerte y que son por lo tanto difíciles de analizar. En este nuevo análisis Tevatron observa un exceso de unos 2.5 sigmas en la región de 115 – 135 GeV, consistentemente con lo observado en el LHC.

Tras estos sucesos la figura anterior toma el siguiente aspecto a día de hoy:

Así pues, existe en estos momentos una gran expectación en la comunidad científica a que se confirme la existencia del Higgs con una masa en torno a los 125 GeV. Sin embargo, como ya hemos mencionado, con una seguridad estadística de tan solo 3 sigmas un descubrimiento no puede ser proclamado como tal. En cuanto a las reglas de la estadística se refiere, los excesos observados podrían no ser más que una fluctuación estadística, similar a lo que ocurrió con el exceso presentado en julio de 2011. Únicamente mediante las sucesivas mediciones y acumulación de datos que ocurrirán en el LHC en los próximos meses podremos saber finalmente si los sucesos que hemos relatado corresponden realmente a las primeras colisiones de partículas que involucran al bosón de Higgs.

Tabla Periódica dinámica

Haz

• Cada haz de protones a máxima intensidad consistirá 2808 racimos por rayo.

• Cada grupo contendrá 1,15 × 10 ¹¹ protones por racimo en el inicio de su capacidad nominal.

• pocos cm. largo

• con dimensiones transversales del orden de un mm, pero en un colisionador tan pequeño como sea posible en el punto de colisión (LHC - 16 micras totalmente oprimido)

• Las partículas en el LHC son ultra-relativista y moverse a 0,999997828 veces la velocidad de la luz en la inyección y 0,999999991 la velocidad de la luz en energía superior

La energía en haz

• Energía del haz total de energía superior, haz nominal, 362 MJ

2808 racimos * 1.15 10 ¹¹ protones @ 7 TeV cada uno. = 2808 * 1,15 * 10 ¹¹ * 7 * 10 ¹² * 1,602 * 10 ^-19 Joules = 362 MJ por rayo

Portaaviones británico

Ilustre y HMS Invincible pesa 20.000 toneladas y todos los combates que es de 2 x 10 ⁷ kg. Estos son los bebés en comparación con el USS Harry S. Truman (clase Nimitz) - 88.000 toneladas.

Energía nominal del haz del LHC = 362 MJ o 3.62 x 10 ⁸ J

así que 1/2 mv ² = 0,5 * 2 ​​* 10 ⁷ * v ² = 3.62 * 10 ⁸

así que v ² es de 36,2 y V es de 6,0 m / s ó 11,7 nudos (o alrededor de 5,6 nudos si eres un portaaviones americano)

(1 nudo = 1,852 km / hora)

Subaru equivalente

Peso en vacío 3.140 kg más ligero que una persona 3200 kg

1/2 mv ² = 0.5 * 3200 * v ² = 3.62 * 10 ⁸ da 1712 kilómetros por hora

Fusión de cobre

Punto de fusión de cobre: ​​1356 K - nuestros imanes están a 2 K por lo que el aumento de la temperatura que se necesita es 1354 K

Calor específico del cobre: ​​385 JKG ^-1 K ^-1

Calor latente de fusión (energía necesaria para convertir un sólido en su punto de fusión en un líquido a la misma temperatura): 205000 JKG-1

Así que para derretir 1 kg de cobre en el LHC que necesitamos (1354 * 385 + 205000) J

Con un rayo - 362 MJ - podemos fundir 362 10 ⁶ / (1354 * 385 + 205000) kg = 498,4 kg de cobre

Así que al corriente nominal del haz los dos haces del LHC podrían derretirse junto casi una tonelada de cobre.

TGV

400 toneladas

0.5 * 400000 * v ^ 2 = 3,62 * 10 ^ 8 por lo tanto un rayo = un tren de alta velocidad en torno a 150 kmh

TNT

El contenido de energía de TNT se 4.68MJ/kg (Beveridge, 1998).

362/4.68 = 77,4 kg de TNT

Tevatron (protón / antiprotón)

980 GeV haz de energía - 36 racimos de protones 2,3 e11 (julio de 2006) da una energía por haz de alrededor de 1,3 MJ

LHC> 200 veces esto.