Primera semana de haces estables y colisiones de protones en el LHC

Por Francisco R. Villatoro, el 2 junio, 2015. Categoría(s): Bosón de Higgs • Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Physics • Science ✎ 1

Dibujo20150601 lhc schedule 2015 - june-july-aug

Esta semana (a partir del 3 de junio) se inician los colisiones sostenidas, con haces estables, en el LHC. Colisiones protón-protón a 13 TeV c.m. de baja luminosidad, luego se habla de física de prueba (pilot physics). El 8 de junio se dedicarán 5 días a colisiones especiales para los detectores pequeños (física con β* = 19 m para VdM, LHCf, TOTEM y ALFA). Tras una parada técnica (TS1) de 5 días el 15 de junio,  se iniciará la preparación del LHC para las colisiones con paquetes de 0,12 billones de protones (bunches) separados 50 ns y β* = 80 cm. Se han planificado 30 (9+21) días con colisiones a 50 ns.

El objetivo para el año 2015 es separar los paquetes de 0,12 billones de protones en 25 ns (planificado para agosto) y usar β* = 40 cm, lo que permitirá controlar el apilado de colisiones (pile-up). Se prevé dedicar unos 70 días a colisiones pp a 13 TeV c.m.

Más información en Mike Lamont for the LHC team, “The LHC in Run 2: status and plans,” Blois2015: 27th Rencontres de Blois on “Particle Physics and Cosmology”, 31 May – 05 Jun 2015 [slides PDF]. Además el LHC Schedule 2015, 14 Apr 2015 [PDF]. Sobre el Higgs recomiendo Flavia de Almeida Dias (on behalf of the ATLAS and CMS collaborations), “Prospects for Higgs properties measurements at future colliders,” CIPANP 2015, 23 May 2015 [slides PDF].

Dibujo20150601 2015 atlas cms performance

El objetivo es acumular una luminosidad integrada (número total de colisiones) de unos 10 /fb (inversos de femtobar). Como indica esta tabla, 1 /fb con una luminosidad instantánea de 4,8 × 1033 /cm²/s en las colisiones a 50 ns con β* = 80 cm, unos 4 /fb con una luminosidad instantánea de 7,1 × 1033 /cm²/s en las colisiones a 25 ns con β* = 80 cm, y finalmente unos 5 /fb con una luminosidad instantánea de 1,2 × 1034 /cm²/s en las colisiones a 25 ns con β* = 80 cm. En la tabla este último caso aparece en rojo porque todavía es pronto para saber qué se acabará logrando.

Dibujo20150601 run 2 performance

Esta tabla muestra lo que se espera del LHC Run 2 en el año 2015 comparado con lo esperado en los años siguientes. Todos esperamos que el LHC funcione a las mil maravillas y estos números se queden un poco cortos.

Como nos recordaba Jester, “How long until it’s interesting?,” Résonaances, 21 May 2015, hay que ser conscientes de que no esperamos encontrar nada realmente excitante este primer año del LHC Run 2, más allá de confirmar el modelo estándar con colisiones a 13 TeV c.m. ¿Cuándo esperamos cosas interesantes de las colisiones de 2015? Todo depende del número de colisiones (luminosidad integrada) que se alcance y de la sección eficaz de producción del tipo de colisiones que nos interesen. Comparando el cociente para colisiones a 13 TeV c.m. respecto a las colisiones a 8 TeV c.m. podemos resumir lo siguiente.

No esperamos nada relevante para el bosón de Higgs (ratio≈2.3; luminosidad≈10 /fb), sólo una pequeña mejora en los datos ya conocidos. En el LHC Run 1 no se pudo observar la producción del bosón de Higgs asociada al quark top, colisiones tth, pero se estuvo a punto de ello; en 2015 con un ratio≈4 y una luminosidad≈6 /fb deberíamos ser capaces de observar el Higgs en este canal (con lo que habrá una prueba directa del acoplo del quark top con el Higgs, pues ahora sólo hay pruebas indirectas).

No podemos esperar que se observen este año otras partículas escalares de mayor masa, como un nuevo Higgs con una masa de unos 300 GeV (ratio≈2.7; luminosidad≈9 /fb). El límite de exclusión para la squark top (o stop) subirá un poco hasta unos 800 GeV (ratio≈10; luminosidad≈2 /fb); lo mismo ocurrirá para otras partículas supersimétricas. Para nuevos bosones vectoriales, como el bosón Z’, si existen con una masa inferior a 3 TeV (ratio≈18; luminosidad≈1.2 /fb) se observarán los primeros indicios a finales de año (si no existen, crecerán los límites de exclusión).

Caso de existir con una masa inferior a 1,4 TeV, lo primero que descubriríamos serían indicios del gluino (ratio≈30; luminosidad≈0,7 /fb); estos primeros indicios se podrían publicar tras el verano y ser confirmados a finales de año. Por supuesto, el paso de colisiones a 8 TeV c.m. a 13 TeV c.m. favorece sobre todo la producción de nuevas partículas muy pesadas. Para partículas de baja masa (inferior a la del quark top, como el bosón de Higgs) el progreso en 2015 será muy parco. La física de precisión requiere mucha luminosidad integrada, es decir, acumular mucho tiempo de colisiones.

Dibujo20150601 high luminosity lhc - hl-lhc plan - 2011-2015

El LHC está arrancando en 2015 y, para no decepcionarnos por su ausencia, no debemos esperar resultados realmente interesantes. Aunque redescubrir el modelo estándar será muy excitante y lo contaremos en este blog conforme se vaya logrando. El LHC todavía tiene muchos años por delante y nos puede reservar muchas sorpresas. Los pesimistas que matan a la gallina de los huevos de oro tras la primera puesta (el Higgs) pierden la oportunidad de enriquecerse (de nueva física).



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