Ya se ha iniciado el LHC Run 3 con colisiones a 13.6 TeV c.m.

Por Francisco R. Villatoro, el 6 julio, 2022. Categoría(s): Ciencia • Física • LHC - CERN • Noticia CPAN • Noticias • Physics • Recomendación • Science ✎ 5

Ayer, 5 de julio de 2022, se iniciaron oficialmente las colisiones del LHC Run 3. Tras las mejoras realizadas durante los más de tres años de la segunda parada larga (LS2, por Long Shutdown 2) se ha decidido alcanzar una energía de 13.6 TeV c.m., todo un récord; recuerda que en el LHC Run 2 se usó 13 TeV, y que en el LHC Run 1 se usaron 7 TeV y 8 TeV. Como puedes ver en esta figura del LHC Dashboard, cada haz de protones tiene una energía de 6800 GeV (6.8+6.8 = 13.6 TeV). Se usarán 13.6 TeV durante todo el LHC Run 3 en los próximos cuatro años, acumulando un mínimo de unos 260 fb⁻¹ (inversos de femtobarn) de colisiones. El LS3 está planificado para 2026 y dará paso al futuro HL-LHC (LHC de alta luminosidad) con colisiones a 14 TeV, cuyo inicio se ha retrasado un año hasta finales de esta década.

El LHC ha acumulado 190 fb⁻¹ de colisiones en los Run 1 y Run 2; en el LHC Run 3 se pretende acumular 290 fb⁻¹ (35 fb⁻¹ en 2022 y 85 fb⁻¹ entre 2023 y 2025), totalizando 480 fb⁻¹ antes de la llegada del HL-LHC. Alcanzar casi 500 fb⁻¹ cuando el LHC se diseñó para lograr 300 fb⁻¹ será posible gracias a las mejoras logradas en el LS2 tanto en el LHC como en los detectores, aún así requerirá un esfuerzo sostenido durante estos cuatro años. La luminosidad objetivo es 10³⁴ cm⁻² s⁻¹, lo que requerirá inyectar unos 2700 paquetes de protones (proton bunches) por haz, con 1.8 × 10¹¹ protones por paquete separados 25 ns (nanosegundos); recuerda que en el LHC los protones se inyectan en paquetes que se hacen cruzar en los puntos de colisión donde se encuentran los detectores (ATLAS está en IP1, ALICE en IP2, CMS en IP5 y LHCb en IP8). Esta luminosidad objetivo no se alcanzará en 2022, año en el que número de protones por paquete será de 1.4 × 10¹¹ protones.

El año 2022 será intenso, pero ahora mismo la máquina está arrancando, en un proceso lento pero seguro. En la imagen de hoy por la mañana para la inyección (Fill) número 7921 puedes ver que se indica arriba que la luminosidad instantánea de ~3 × 10¹¹ protones en cada haz. Esta luminosidad es pequeña porque la máquina está arrancando (ramp-up). Las curvas roja y azul indican la luminosidad en cada haz, que como puedes ver disminuyen con el tiempo conforme se pierden protones en los puntos de colisión y el propio túnel (la curva negra constante indica la energía de los protones). Yo había leído que iban a inyectar 1.15 × 10¹¹ protones por paquete (número que se subiría poco a poco, en incrementos de 0.05 × 10¹¹, hasta alcanzar los 1.4 × 10¹¹ objetivo de este año). Sin embargo, al mirar la figura parece que la intensidad pico alcanzada es de unos 3.8 × 10¹¹ protones por haz, lo que implica que se inyectaron unos 1.27 × 10¹¹ protones en cada uno de los tres paquetes. Al ritmo previsto se espera que el 4 de agosto se inyecten 1200 paquetes de protones.

En el LS2 ha habido grandes mejoras tanto en los imanes del LHC y demás infraestructura, como en los detectores ATLAS, CMS, ALICE y LHCb. En el LHC Run 3 habrá muchas novedades que iremos contando poco a poco; por ejemplo, hasta ahora las colisiones de iones pesados solo se han usado iones de plomo (Pb) y de xenón (Xe), pero el objetivo es usar también iones de oxígeno (O); así habrá colisiones OO y pO, además de las colisiones PbPb, pPb, XeXe y pXe que ya ha habido, y que se repetirán a más energía.  Si eres aficionado a la física de partículas te recomiendo consultar de vez en cuando el estado del LHC en tiempo real gracias al LHC Dashboard del Vistar (https://op-webtools.web.cern.ch/vistar/vistars.php?usr=LHC3). ¡Qué lo disfrutes!

En esta otra figura se ve que ya ha acabado el Fill 7921 que se inició sobre las 03:30 horas y finalizó sobre las 14:00. Me gustaría destacar que en el LHC se trabaja 24/7, las 24 horas del día los 7 días de la semana (solo se para lo imprescindible entre inyecciones de protones). Todavía no se ha iniciado la siguiente inyección, seguro que pronto lo hará. Como puedes ver en el Fill 7921 ni ATLAS ni ALICE han acumulado colisiones (aunque estaban en modo Physics en la primera figura), mientras que CMS ha acumulado 352.7 nb⁻¹ y LHCb 16.23 nb⁻¹ (en ambos casos muy poquitas colisiones).

Por cierto, no se indica en la figura, pero la configuración de esta primera inyección de arranque con colisiones (Fill 7921) es Single_3b_2_2_2; esta notación significa que se inyectan tres paquetes de protones por haz (3b), pero solo se hacen colisionar los paquetes dos veces por cada vuelta en el anillo en los puntos de colisión IP1/IP5 (ATLAS/CMS), IP2 (ALICE), IP8 (LHCb). Si eres aficionado a la física de partículas te recomiendo recorrer la web del LHC en el CERN y disfrutar de toda la información que ofrece (buscar en Google te ayudará a ir a tiro seguro a lo que te interese); por ejemplo, la información sobre las configuraciones de inyección están en Filling Schemes (https://lpc.web.cern.ch/cgi-bin/fillingSchemeTab.py). Y, por cierto, si quieres información sobre el LHC en español (gallego o inglés), te recomiendo la estupenda web de Xabier Cid Vidal (LHCb) y su padre Ramon Cid Manzano (ya jubilado), Acercándonos al LHC (https://www.lhc-closer.es/), ¡no te arrepentirás!



5 Comentarios

  1. Gracias, Francis. Se entiende muy bien, pero por aportar el granito de arena localizando alguna errata:

    «El LHC ha acumulado 190 fb⁻¹ de colisiones en los Run 1 y Run 2; en el LHC Run 2 [sería Run 3] se pretende acumular 290 fb⁻¹ (35 fb⁻¹ en 2022 y 85 fb⁻¹ entre 2023 y 205) [sería 2025], totalizando…»

    Y una duda, no estoy seguro de cómo “fabrican” los protones que se lanzan… Seguro que ya lo has mencionado en otras piezas. 🙄

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