ATLAS y CMS alcanzan los 100 /fb de luminosidad integrada

Dibujo20171008 atlas cms reach 100 ifb in lhc from 2010 cern

El pasado 4 de octubre de 2017, ATLAS y CMS, los dos grandes experimentos del LHC, alcanzaron una luminosidad integrada de 100 fb−1 (inversos de femtobarn). Esta cifra se ha alcanzado tan solo 7 años después de que su puesta en marcha. Este hecho supone un hito importante en la Física de Partículas ya que refleja la dedicación y determinación de las miles de personas que hacen posible el buen funcionamiento de una máquina tan compleja como el LHC.

Un acelerador de partículas como el LHC se caracteriza principalmente por la energía a la que se producen las colisiones. Gracias a la famosa relación E = m c² podemos tener acceso a nuevos fenómenos y partículas no observadas anteriormente. No obstante, estos nuevos fenómenos suelen ser muy raros de producir. La probabilidad de que un suceso en particular ocurra viene dado por su sección eficaz. Sucesos muy extraños tienen una sección eficaz muy pequeña. Por esta razón, se necesita un gran número de colisiones para poder así tener acceso a sucesos tan raros como sería la producción de un bosón de Higgs.

Esta entrada invitada está escrita por Héctor García (@CERNtripetas); Héctor trabaja en la sala de control del LHC y colabora en Naukas en Instantaneas desde el CERN. Sobre todo se le conoce por su excelente canal de youtube CERNtripetas (que te recomiendo visitar). También recomiendo leer a Stefania Pandolfi y Rende Steerenberg, “LHC Report: 100 inverse femtobarns and counting…,” News, CERN, 05 Oct 2017.

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La cantidad de colisiones que se producen por segundo en un colisionador viene dada por su luminosidad. La luminosidad es proporcional al cuadrado del número de partículas en cada paquete (N), a la cantidad de estos paquetes que hay en el acelerador (nb) y a la cantidad de vueltas que dan cada segundo (frev) e inversamente proporcional al cuadrado del tamaño del haz en el punto de colisión (4 π σ²), como indica la siguiente fórmula.

Dibujo20171008 luminosity formula cern

Si tomamos los valores de diseño del LHC (1011 protones por paquete, 2800 paquetes, más de 11 mil vueltas cada segundo y haces de una decena de micrómetros), en los dos experimentos donde se producen más colisiones, ATLAS y CMS, la luminosidad instantánea tiene un valor de 1034 cm−2 s−1. Traducido a unidades más habituales, este valor implica del orden de varias decenas de millones de colisiones cada segundo.

Pero disponer de una luminosidad elevada no lo es todo. También necesitamos que el acelerador esté operativo el mayor tiempo posible. Por eso se define la luminosidad integrada como la integral de la luminosidad instantánea a lo largo del tiempo que se dedica a producir colisiones. Objetivo: producir colisiones durante el mayor tiempo posible. Todo para acumular tanta luminosidad como sea posible.

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Luminosidad acumulada en ATLAS durante 2011, 2012, 2015, 2016 y 2017 (en CMS el resultado es similar). En total ya suman más de 100 /fb.

Desde que se produjeron las primeras colisiones en 2011, en el LHC se han acumulado un total de 100 fb−1 (este número equivale a unas diez mil billones de colisiones protón contra protón almacenadas en disco en ATLAS y otras tantas en CMS). En 2011 se recogieron poco más de 5 fb−1 a una energía de 7 TeV. El año 2012 fue el primer año de producción real, con más de 25 fb−1 a una energía de 8 TeV. Momento en el que se había acumulado suficiente información para dar luz al bosón de Higgs. Durante 2013 y 2014 se produjo la primera parada larga (LS1) en la que se preparó el LHC para alcanzar los 13 TeV de energía en el centro de masas. El año 2015 la luminosidad acumulada no llegó a los 5 fb−1 ya que gran parte del tiempo se dedicó a poner a punto la máquina para que en 2016 se alcanzase la cifra récord de 39 fb−1. Este año ya se han superado los 30 fb−1 y la previsión es que, si todo va bien, se alcancen entre 40 y 45 fb−1.

En las figuras siguientes vemos como han evolucionado las luminosidad en ATLAS y CMS durante este año. Las secciones que se mantienen planas corresponden a paradas técnicas de una semana como máximo en la que no se producen colisiones. Idealmente, el LHC debería entregar la misma luminosidad a los dos experimentos aunque siempre hay ligeras diferencias. Además, por diferentes razones, los experimentos nunca pueden registrar el cien por cien de las colisiones.

Dibujo20171008 atlas total integrated luminosity in 2017 lhc cern
Luminosidad acumulada en 2017 en ATLAS.
Dibujo20171008 cms total integrated luminosity in 2017 lhc cern
Luminosidad acumulada en 2017 en CMS.

En realidad, el funcionamiento del LHC está, hoy en día, por encima de lo que inicialmente se planeó. Si bien la luminosidad nominal es de 1034 cm−2 s−1, los físicos que se ocupan de la mejora del acelerador han encontrado, durante los años que lleva funcionando, la forma de hacer que el LHC funcione incluso mejor. De esta manera, hoy la luminosidad del LHC es hasta un 70% superior a la luminosidad con la que se diseñó. Mayor número de partículas y haces más pequeños en los puntos de colisión han contribuido a esta mejora.

Está planeado que el LHC funcione a pleno rendimiento durante lo que queda de año y durante todo el año que viene antes de la segunda para larga (LS2) durante 2019 y 2020. En 2021 dará comienzo el Run 3 que concluirá dos años después cuando se espera que se haya acumulado una luminosidad integrada de 300 fb−1. Se dará paso a otra larga parada (LS3) para aplicar una mejora considerable en el LHC y dar paso al HL-LHC (High Luminosity LHC). Con esta mejora se planea doblar la luminosidad para que al final de su vida útil se alcancen los 3000 fb−1 de luminosidad integrada.


11 Comentarios

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JofaserimonJofaserimon

Después de todas las mejoras previstas, ¿aumentará la energía en el centro de masas o se mantendrá en 13TeV?

Y si aumenta, ¿hasta que energía podrían llegar las colisiones?

hector (CERNtripetas)hector (CERNtripetas)

La idea es que para el HL-LHC la energía se eleve hasta la energía nominal del LHC, es decir, 14 TeV. Se está considerando subir la energía ya después del LS2, pero todavía se encuentra en fase de estudio. Todo depende del tiempo que se tarde en entrenar los imanes para que estén listos para esa energía.

Alvaro VerdionAlvaro Verdion

Después del HL-HLC, el HE-HLC o cualquiera de las otras propuestas de mejora. ¿Es estimable cuando se quedará ‘chico’ y habría que plantearse cavar un anillo más grande y en definitiva construir de cero una maquina más grande?

Francisco R. Villatoro

Alvaro, ya hay varias propuestas de colisionadores más grandes que logren alcanzar energías de colisión del orden de 100 TeV; se ha propuesto un anillo de 80-100 km en el CERN (que aproveche el LHC para la inyección) y uno de 50-100 km en China; estos colisionadores “gigantes” deberían entrar en funcionamiento alrededor de 2050.

Gabriel DomínguezGabriel Domínguez

¿Y por qué para alcanzar mayores energías tienen que ser más grandes los colisionadores? ¿Cuál es la relación longitud del colisionador/energía de colisión?

hector (CERNtripetas)hector (CERNtripetas)

Para hacer circular haces con mayor energía o bien se requieren campos magnéticos más potentes para poder guiarlos en su trayectoria circular. o bien hacer el acelerador más grande para reducir el campo magnético.
El LHC utiliza imanes de unos 8 Tesla. Para el acelerador de 100km se están considerando imanes con el doble de campo magnético y aún así necesitamos que sea de 100km.

Francisco R. Villatoro

Gabriel, lo ideal sería acelerar en línea recta, pero en la práctica genera muchos problemas (p. ej. no se pueden reciclar las partículas pues no pueden volver al punto de origen); por ello se usan aceleradores circulares (sincrotrones), aunque construidos con pequeñas secciones rectas (siempre se acelera en una sección recta) y con imanes que desvían las partículas de un sector recto al siguiente. El factor limitante es la intensidad de los imanes, tanto para acelerar las partículas en los tramos rectos, como para desviarlas entre ellos; para un imán determinado se logra mayor energía de colisión si se recorre una mayor distancia, luego se pueden dar más vueltas (lo que produce más pérdidas en la aceleración y en la desviación, ya que toda partícula cargada acelerada radia), o usar una circunferencia más grande; además, a mayor energía lograr la desviación entre secciones rectas requiere imanes más difíciles de diseñar.

Para minimizar los costes y todos los problemas de diseño asociados, a mayor energía de colisión más grande debe ser la circunferencia. Pero no hay una fórmula (o relación) concreta, todo depende de la intensidad de los imanes que estén disponibles para acelerar en tramos rectos y para desviar entre tramos rectos; un colisionador de 100 TeV puede tener un diámetro de 50 km, 80 km o 100 km, siendo su diseño diferente según su tamaño ; lidiar con los factores que limitan el diseño siempre es más fácil para una colisionador más grande (el colisionador a 100 TeV más fácil de diseñar es el de 100 km de circunferencia); de ahí que a mayor energía de colisión mayor tamaño tenga el colisionador.

GerardoGerardo

UN MOMENTO! traté de seguir la explicación de la luminosidad del LHC y no entendí: ¿el femtobar equivale a cuantos campos de futbol?

Francisco R. Villatoro

Gerardo, un barn es él área efectiva de un núcleo de uranio, un femtobarn es un área mil billones de veces más pequeña; la colisión de dos protones en el LHC tiene una sección eficaz de unos 100 milibarn, luego multiplicando los inversos de femtobarn por dicha sección calculas él número de colisiones protón contra protón. Igual que cuando tiras dardos a una diana su área determina la probabilidad de tus aciertos, la probabilidad de colisión (o producción de una partícula en una colisión) se mide en unidades de área, y el número de colisiones en inversos de unidad de área. Busca en la web si quieres información más detallada.

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