LHC p colisións

Achegándonos ao LHC

O obxectivo fundamental do LHC é procurar colisións á máis alta enerxía posible. Para iso os protóns (ou hadróns en xeral) son aceleradas ata velocidades próximas á da luz. Mediante estas colisións os científicos son quen de extraer información dos máis pequenos compoñentes da materia. Neses choques, novas partículas son creadas, o que proporciona valiosos datos para a Física de Partículas. En certo sentido, os aceleradores de partículas son os "super microscopios" de hoxe.


No LHC 2808 paquetes (bunches) de protóns forman cada un dos dous feixes. Nos catro puntos de interacción (nos detectores) un paquete crúzase con outro que ven en sentido contrario.

Os paquetes (bunches) de protóns distan entre sí 7,5 m. Polo tanto, na circunferencia de 27 km debería haber:

26659 / 7,5 ~ 3550  bunches.

Sen embargo, unha secuencia de inxeción de bunches que maximice as colisións segundo o programa  que  se está a levar en cada momento, e a posibilidade de poder insertar novos "paquetes", cando son extraídos outros que xa non son operativos, implica dispoñer de espazo suficiente, e por iso circulan 2808 paquetes.

Para unha máis completa discusión preme aquí....

 

Canto maior sexa o ángulo de cruce (crossing angle, θc), máis pequena será a área solapada polos dous bunches, e polo tanto menor posibilidade de colisións haberá. É evidente que hai que tratar de que ese ángulo sexa o máis pequeno posible. Por outra parte, hai que tentar que os protón cheguen a ese punto de colisión o máis xuntos que sexa posible para que tamén aumenten os encontros. É importante sinalar que mentres que o tamaño lonxitudinal do bunch,σ, permanece contante todo o tempo (~7,5 cm), o tamaño trasversal, σx , varía e toma o seu valor mímino nos puntos de interacción, IP.

Cada "bunch" contén 1,15·1011 protóns (1 cm3 de H2 en condicións normais ~1019 protóns).

Cada paquete é colimado (ver apartado Multipolos magnéticos) ata unha dimensión de sección de 16 x16 μm cando chegan aos puntos de interacción (Interaction Point - IP) onde teñen lugar as colisións.

O "volume ocupado" por cada protón no punto de interacción é:  

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

Iso é aínda moito maior que o volume que ocupa un átomo!por tanto unha colisión é algo moi raro.


Pero cando se produce ...

Colisión  protón–protón a 7 TeV en CMS xerando máis de 100 partículas cargadas.

(CERN COURIER, October 26, 2010)


A probabilidade de que un protón dun paquete (bunch) golpee a outro protón dun paquete que ven en sentido contrario pódese obter aproximadamente a partir do cociente entre o tamaño do protón (d2 con d~1 fm) e o tamaño da sección do bunch (σ2, con σ=16 micras) em e punto de interacción.

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

Pero con 1,15·1011 protóns/bunch prodúcense un bo número de interaccións.

Así, o número de interaccións será:      

Probabilidade x N2   (con N = número de protóns por bunch)

Polo tanto ,       

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

Pero só unha fracción desas interaccións (~50%) son choques inelásticos que dan lugar á creación de novas partículas a ángulos suficientemente elevados respecto do eixe do feixe.

Polo tanto , haberá arredor dunhas 20 colisións "efectivas" cada cruce..

Como hai uns 11245 cruces por segundo, teremos:

11245 x 2808 = 31,6 millóns de cruces , que é o chamado "average crossing rate "

(31,6·106cruces/s) x (20 colisións/cruce)  600 millóns colisión/s

Se consideramos os 3550 bunches teóricos: 11245 x 3550 = 40 millóns de cruces  (40 MHz


Cada vez que dous paquetes de protóns (bunches) se cruzan no interior dun dos detectores prodúcense múltiples colisións protón-protón simultáneas: múltiples vértices primarios.

Cada un destes vértices primarios dará lugar a varios vértices secundarios e así sucesivamente. 


 

Aqueles vértices primarios menos enerxéticos (xeralmente de pouco interese) son desbotados e se atende unicamente ao vértice primario máis enerxético (que adoita ser de máis interese científico).

O traballo informático ao través de extraordinarios algoritmos de reconstrucción de traxectorias é o encargado desta selección. En condicións óptimas (máxima luminosidade) poden producirse máis de vinte colisións simultáneas (un gran número de vértices apilados -pileup vertices) sendo isto unha mostra clara da enorme dificultade á que se enfrontan os físicos no experimento LHC.

Colisión con catro vértices primarios observada en ATLAS o 24 de abril de 2010.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···