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.