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.
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.
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Para el cálculo tomamos en consideración que cada "bunch" contiene 1,15·1011 protones (en el LHC Run 3 -año 2022 hasta 2026 - se alcanzan hasta 1.8 × 1011 protones por bunch). Para "visualizar" este valor téngase en cuenta que 1 cm3 de H2 en condiciones normales contiene ~1019 protones).
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.
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 -pile-up vertices) siendo esto una muestra clara de la enorme dificultade a la que se enfrentan los físicos en el experimento LHC.
(Sobre "pile-up" ver más aquí...)
Colisión con cuatro vértices primarios observada en ATLAS el 24 de abril de 2010.
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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. Estuvo vinculado al Depto de Física de Partículas de la USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), y Profesor Contratado Doctor. Desde 2023 es Profesor Titular de Universidad en ese Departamento (ORCID). 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), hasta su retiro en 2020. Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).(ORCID). |
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