LHC p colisiones

Acercándonos al LHC

El objetivo fundamental del LHC es proporcionar colisiones a la más alta energía posible. Para eso los protones (o hadrones en general) son aceleradas hasta velocidades próximas a la de la luz. Mediante estas colisiones los científicos son capaces de extraer información de los más pequeños componentes de la materia. En esas colisiones nuevas partículas son creadas, lo que proporciona valiosos datos para la Física de Partículas. En cierto sentido, los aceleradores de partículas son los "super microscopios" de hoy.


En el LHC 2808 paquetes (bunches) de protones forman cada uno de los dos haces. En los cuatro puntos de interacción (en los detectores) un paquete se cruza con otro que viene en sentido contrario.

Los paquetes (bunches) de protones distan entre sí 7,5 m. Por tanto, en la circunferencia de 27 km debería haber:

26659 / 7,5 ~ 3550  bunches.

Sin embargo, una secuencia de inyección de bunches que maximice las colisiones según el programa  que  se está llevando a cabo en cada momento, y la posibilidad de poder insertar nuevos "paquetes", cuando son extraídos otros que ya no son operativos, implica disponer de espacio suficiente, y por eso circulan 2808 paquetes.  

Para una más completa discusión haz click aquí....

 

Cuanto mayor sea el ángulo de cruce (crossing angle, θc), más pequeña será el área solapada por los dos bunches, y por tanto menor posibilidade de colisiones habrá. Es evidente que hay que tratar de que ese ángulo sea lo más pequeño posible. Por otra parte, hay que intentar que los protones lleguen a ese punto de colisión lo más juntos que sea posible para que también aumenten los encuentros. Es importante señalar que mientras que el tamaño longitudinal del bunch, σ, permanece contante todo el tempo (~7,5 cm), e tamaño trasversal, σx , varía y toma su valor mímino en los puntos de interacción, IP.

Cada "bunch" contiene 1,15·1011 protones (1 cm3 de H2 en condicións normales ~1019 protones).

Como ya se comentó, cada paquete es colimado (ver apartado multipolos magnéticos) -comprimido- hasta una dimensión de sección de 16 x16 μm cuando llegan a los puntos de interacción (Interaction Point - IP) donde tienen lugar las colisiones.

El "volumen ocupado" por cada protón en el punto de interacción es:

(74800 x16 x16) / (1,15·1011) ~ 10-4 μm3

Eso es aún mucho mayor que el volumen que ocupa un átomo!!! Por tanto una colisión es algo muy raro.


Pero cuando se produce ...

Colisión  protón–protón a 7 TeV en CMS generando mis de 100 partículas cargadas.

(CERN COURIER, October 26, 2010)


La probabilidad de que un protón de un paquete (bunch) golpee a otro protón de un paquete que viene en sentido contrario se puede obter aproximadamente a partir del cociente entre el tamaño del protón (d2 con d~1fm) y el tamaño de la sección del bunch (σ2, con σ=16 micras), en el punto de interacción.

Entonces:        
Probabilidade ≈ (dproton)2/(σ2 Probabilidade ≈ (10-15)2/(16·10-6)2 ≈ 4 ·10-21
 

Pero con 1,15·1011 protones/bunch se producen un buen número de interacciones.

Así, el número de interacciones será:     Probabilidad x N2   (con N = número de protones por bunch)

Por tanto,

(4·10-21) x ( 1,15·1011)2       ~ 50 interacciones cada cruce

Pero solo una fracción de esas interacciones (~50%) son choques inelásticos que dan lugar a la creación de nuevas partículas a ángulos suficientemente elevados respecto del eje del haz.

Por tanto, habrá alrededor de 20 colisiones "efectivas" cada cruce.

Como hay 11245 cruces por segundo, tendremos:

11245 x 2808 = 31,6·106cruces/s , que es el llamado "average crossing rate".

(32·106cruces/s)x(20 colisiones/cruce)  600 millones colisiones/s

Si considerasemos los 3550 bunches teóricos: 11256 x 3550 = 40 millones de cruces  ⇒ 40 MHz


Cada vez que dos paquetes de protones (bunches) se cruzan en el interior de uno de los detectores se producen múltiples colisiiones protón-protón simultáneas: múltiples vértices primarios.

Cada uno de estos vértices primarios dará lugar a varios vértices secundarios y así sucesivamente.


 

Aquellos vértices primarios menos energéticos (generalmente de poco interés) son desechados y se atiende únicamente al vértice primario más energético (que sueñe ser de más interés científico).

El trabajo informático a través de extraordinarios algoritmos de reconstrucción de trayectorias es el encargado de esta selección. En condiciones óptimas (máxima luminosidad) pueden producirse más de veinte de colisiones simultáneas (gran número de vértices apilados -pileup vertices) siendo esto una muestra clara de la enorme dificultade a la que se enfrentan los físicos en el experimento LHC.

Colisión con cuatro vértices primarios observada en ATLAS el 24 de abril de 2010.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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