El LHC del CERN supera la barrera de los 20 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones

Ayer por la tarde finalizó la inyección (fill) #3273 de protones en el LHC del CERN, que superó la barrera de los 20 /fb de colisiones suministradas a sus dos grandes experimentos ATLAS (20,32 /fb) y CMS (20,28 /fb), aunque en disco estos experimentos todavía tienen almacenadas algo menos de 20 /fb de colisiones; LHCb recibió la décima parte, 1,93 /fb. Te recuerdo que 20 /fb de colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. corresponden a unos 2000 billones de colisiones, lo que significa la producción de unos 400.000 bosones de Higgs (con masa 125 GeV), aunque muy poquitos son detectados (debido al gran ruido de fondo de las colisiones). Lejos queda el fill #2692 (2 junio 2012) que batió el récord de luminosidad integrada y el fill #2998 (24 agosto 2012) que batió el récord de luminosidad pico. En los dos últimos meses los responsables del LHC han sido más comedidos y han evitado forzar la máquina, lo que no quita que el día con mayor luminosidad integrada haya sido el pasado 6 de octubre, con 286,33 /pb. Con el ritmo actual de poco más de 1 /fb a la semana se alcanzarán los 25 /fb a finales de año, cuando se realice la obligada parada navideña. Más información sobre estadísticas del LHC aquí. Permíteme un resumen breve del estado actual del LHC.

Esta figura de la charla de Philippe Bloch (CERN PH Dept.), “Highlights from LHC,” SpacePart12, 5 Nov 2012 [slides, vídeo 32 min], nos resume el estado actual del LHC. En los colisiones protón-protón, cada protón tiene una energía de 4 TeV, luego en el centro de masas de la colisión se acumulan 8 TeV c.m. Los protones se inyectan en 1368 paquetes por haz, con 0,16 billones de protones por paquete, lo que significa que la luminosidad pico es de 7,5 × 10³³ /cm²/s. Los haces se cruzan 20 millones de veces por segundo y en dichos cruces se producen 700 millones de colisiones por segundo (a la luminosidad pico). Para tener una idea de lo que significa 1 /fb de colisiones, Bloch nos recuerda que para la sección eficaz de colisiones inelásticas protón contra protón a 8 TeV, este número significa unos 100 billones de colisiones.

Una pregunta que siempre me hacen es, si colisionan paquetes de protones, ¿debe haber muchas colisiones protón-protón en cada cruce de los haces? Cierto, el récord este año ha sido 35 vértices, aunque como la mayoría son de baja energía son fáciles de discriminar y los disparadores (trigger) pueden seleccionar fácilmente el vértice primario (el de mayor energía y por tanto el más interesante). El gran problema de las colisiones este año es el pileup, pero los algoritmos de reconstrucción de vértices están funcionando a las mil maravillas, como muestra esta transparencia, en la que se sigue la trayectoria de todas las partículas producidas en cada vértice con gran precisión.

Otra pregunta que mucha me gente me hace es, si el Higgs o el quark top no están dentro del protón, ¿de dónde salen estas partículas en una colisión protón-protón? La respuesta es complicada de entender para mucha gente, pero los físicos creemos que al acumular mucha energía en un lugar muy pequeño se excitan los campos asociados a estas partículas dando lugar a su aparición (en el caso del Higgs pueden aparecer partículas individuales, pero en el caso de los quarks y leptones siempre serán pares partícula-antipartícula). Como ya he contado en otras ocasiones en este blog, las partículas son excitaciones (ondas) en los campos cuánticos. Esta figura está extraída de Jim Pivarski, “The Bouncing Baby Boson,” Coffeeshop Physics, Jul 4, 2012.

No es posible dibujar la “forma” de la excitación cuántica del campo que representa una partícula, solo podemos resolver las ecuaciones clásicas que nos dan una “forma” aproximada para el campo en cada punto del espaciotiempo. La solución con energía mínima, como ilustra esta figura, representa el vacío del campo. La solución con el siguiente nivel de energía (“mass gap”) representa una partícula y así sucesivamente. En teoría cuántica las oscilaciones del campo corresponden a un número discreto de partículas, ninguna (vacío), una, dos, etc., pero es imposible que haya media partícula o pi partículas. En las colisiones del LHC se acumula mucha energía en una región pequeña del espaciotiempo que excitan múltiples campos resultando en la aparición de las partículas de dichos campos. Estas partículas son inestables (salvo las de la primera generación) y se desintegran rápidamente en otras partículas de menor masa; las de la tercera generación se desintegran muy, pero que muy rápidamente, en billonésimas de billonésima de segundo. Estas desintegraciones están mediadas por las interacciones entre partículas (electrodébil y fuerte); una interacción entre dos partículas corresponde a una transferencia de energía y momento entre los campos asociados a dichas partículas en la que intervienen los campos asociados a los bosones gauge de la correspondiente interacción (como el fotón, gluón, W y Z).

3 Comentarios

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planck

Me temo que si el rumor es cierto y el exceso gamma-gamma ha caído en CMS está bastante claro que es solo una fluctuación y que el Higgs que se ha encontrado es el del SM (como se esperaba). Evidentemente hay que esperar a ver los datos concretos y que pasa con el resto de canales, pero ya se sabe: si anda como un pato, nada como un pato y hace cua cua… (o mejor dicho quark quark :D).
Quizás la nueva física se encuentra un poco más arriba en la escala de los TeV, quizás se anuncie algo el Miércoles o quizás haya en medio un enorme desierto, esta última posibilidad la haría prácticamente inalcanzable para nosotros pobres mortales…
Mientras los físicos se afanan por resolver los interrogantes más profundos sobre las leyes que rigen el Universo otros se dedican a esto: http://www.abc.es/20121105/tv/abci-i...051145.html
Si es que asi no se puede avanzar, un porcentaje enorme de la población sigue en la edad media mentalmente hablando…

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