Hace tiempo que no hablo del LHC (Large Hadron Collider) en este blog. El tercer año del LHC Run 3 se inició el viernes 5 de abril de 2024. Con colisiones protón-protón a 13.6 TeV c.m., a fecha de 15 de agosto ya se ha superado con creces el récord anual de luminosidad integrada (LCMF, 11 sep 2018), logrado en 2018, el cuarto y último año del LHC Run 2 con colisiones a 13 TeV c.m. El objetivo este año es alcanzar 120 fb⁻¹ (inversos de femtobarn) a mediados de octubre. Al ritmo actual no hay ninguna duda de que se logrará. Te recuerdo que el próximo año, 2025, será el cuarto y último año del LHC Run 3. En 2026 está planificado el inicio de la parada larga para mantenimiento y mejoras que preparará el LHC y sus detectores para el salto al futuro HL-LHC (High-Luminosity LHC) que debería iniciar sus colisiones en 2029.

Crucemos los dedos para que todo siga viento en popa a toda vela. Todos recordamos los problemas de julio de 2023 en las cavidades de radiofrecuencia usadas para acelerar los protones. Un grave problema que condujo a parar las colisiones cuando se habían acumulado unos 32 fb⁻¹ desde mayo, un tercio de lo esperado (en 2022 las colisiones se iniciaron en agosto, con lo que solo se acumularon unos 38 fb⁻¹). Por fortuna se lograron reparar y este año volvemos a disfrutar de la gloria de un LHC en plena forma. De hecho, desde inicios de julio, el LHC parece que quería competir en las Olimpiadas de París, pues estuvo produciendo más de 1 fb⁻¹ diario (unos cien billones de colisiones protón-protón), con una luminosidad pico de 1.48 fb⁻¹ en 24 horas. Quizás estos números no te sorprendan, pero te recuerdo que el bosón de Higgs se descubrió tras acumular durante dos años (LHC Run 1 en 2011 y 2012) unos 12 fb⁻¹ (lo que hoy se logra en diez días).

Según la supertabla (CERN Beam Performance Tracking), la última inyección (fill) fue la #10006, ayer 15 de agosto. La inyección más luminosa fue la #9691, iniciada el 30 de mayo, con haces estables durante 22.6 horas, lográndose acumular 1.08 fb⁻¹ en ATLAS y 1.05 fb⁻¹ en CMS; está seguida por la #9849, el 1 de julio, estable durante 15.3 horas, acumulando 0.96 fb⁻¹ en ATLAS y 0.97 fb⁻¹ en CMS, y la #9974, el 4 de agosto, con 0.96 fb⁻¹ en ATLAS y 0.93 fb⁻¹ en CMS. Todas ellas usan el esquema de inyección 25ns_2352b_2340_2004_2133_108bpi_24inj, que si no recuerdo mal significa que en el anillo del LHC se mueven 2352 paquetes de protones (bunches) separados en tiempo por 25 nanosegundos, de los que 2340 son paquetes que colisionan (hay 12 NC, que no colisionan), 2004 en ATLAS (IP1) y CMS (IP5), y 2133 en ALICE (IP2) y LHCb (IP8), que se inyectaron en 24 inyecciones con 3×36 = 108 paquetes por inyección.

Esta figura muestra (@CERN) muestra la operación del LHC durante el fill #9943 (también puedes verlo en tiempo real aquí). En el panel superior pone que la energía de los haces es de 6800 GeV en cada unok, luego habrá 13.6 TeV en el centro de masas de la colisión. La intensidad de los haces al inicio de la inyección es de 236 billones de protones en el primer haz (B1) y 241 billones en el segundo (B2); esta asimetría es debida a las pérdidas de protones durante la inyección. En verde se muestra el estado de cada detector (PHYSICS significa que se están recolectando datos, STANDBY que está activo pero que no recolecta datos en este momento, otros estados son CALIBRATION, INJECTION, RAMP, RAMPDOWN, BEAM SETUP, BEAM DUMP, OFF, PREPARE, ERROR y FAULT).

Más abajo aparece la luminosidad instantánea (números de colisiones) en microbarns por segundo [(ub.s)^-1] de cada detector (ATLAS, ALICE, CMS y LHCb) y su valor estimado por los detectores tipo BRAN (Beam RAte of Neutrals). También se muestra la luminosidad integrada hasta este momento (que en la figura es la total del fill, pues ya había acabado) en nb⁻¹ (inversos se nanobarn); se usa nb⁻¹ porque ALICE acumula cientos de nb⁻¹, mientras LHCb acumula cientos de pb⁻¹ (inversos de picobarns), y ATLAS y CMS acumulan del orden de un fb⁻¹ (recuerda que 1 fb⁻¹ = 1000 pb⁻¹ = 1 000 000 nb⁻¹). Así los 796 411.625 nb⁻¹ acumulados por ATLAS corresponden a 0.796 fb⁻¹. También aparece el nivel de fondo (background o BKGD) para ambos haces, cuando menor es este valor menos ruido. También aparecen dos parámetros relacionados con el cruce de los haces en el punto de colisión; por un lado, el valor β* (Beta*), que determina el tamaño de los haces en dicho punto y se mide como la longitud en metros a lo largo de los haces de un incremento del doble en la intensidad de las haces dicho punto; y, por otro lado, el ángulo de cruce en microrradianes, que depende de los detectores, en este caso, 150 μrad en ATLAS y CMS, y 200 μrad en ALICE y LHCb

Justo debajo aparecen dos paneles con fondo blanco. El de la izquierda muestra la intensidad y la energía instantáneas durante las últimas 24 horas; la línea roja para la intensidad de B1, la azul para la de B2 y la línea negra para la energía (común a ambos); como puedes observar la intensidad decae con el tiempo por la pérdida de protones en las colisiones y durante la propagación en el anillo. Y el de la derecha muestra la luminosidad integrada en los cuatro detectores; las líneas azul (ATLAS) y negra (CMS) aparecen superpuestas, muy por encima de la línea negra (LHCb) y de la casi imperceptible línea violeta (ALICE). Finalmente, abajo del todo, aparecen las estimaciones durante las últimas 24 horas de los niveles de (ruido de) fondo de ambos haces (Beam 1 BKGD y Beam 2 BKGD) para los cuatro detectores (ATLAS, ALICE, CMS, y LHCb).

Bueno, lo dicho, deseo que el LHC siga siendo un gran éxito hasta finales de año. Espero no haberte aburrido demasiado explicando el panel principal del LHC (hay muchos otros paneles que puedes disfrutar en tiempo real). Para el LHC no hay vacaciones en verano.