Luminosidade

Achegándonos ao LHC

Luminosidade (L) é un dos máis importantes parámetros dun acelerador.

É unha medida do número de colisión que poden producirse nun detector por cm2 e por segundoCanto maior sexa L maior é o número de colisións, pero para calcular o número exacto precisamos coñecer outro parámetro: a sección eficaz (cross section).
 

L  pode ser obtido semicualitativamente de:

     - N2 : número de protóns, porque cada partícula nun paquete (bunch) pode colisionar con calquera outra do paquete que se aproxima en sentido contrario.

     t :  tempo entre bunches.

      Sef : sección de colisión efectiva que depende da sección do bunch. (“efectiva” porque o perfil do feixe non está perfectamente definido); a fórmula para esta sección ven dada por:  

Sef =4·π·σ2 con σ=16 micras ou 16·10-4cm (tamaño transversal da sección do bunch no punto de interacción)

Outro parámetro a ser considereda é F, o factor xeométrico de redución da luminosidade, (≤ 1), debido ao ángulo de cruce no punto de interacción (IP). Pero, por exemplo en 2011 F ~ 0.95 , polo que podemos tomalo como 1.

Temos logo:

   L ~  N2/(t·Seff )  

 Con  N2 = (1,15·1011)2

t = 25·10-9 s  ,  Seff =4·π(16·10-4)2 cm2

~   1034 cm-2·s-1


Se utilizamos a frecuencia de cruce dos paquetes (fneste caso 40·106), e tomando Seff=4·π·σ2  podemos expresar a Luminosidade na máis habitual forma:

 

   ~ f·N2 /(4·π·σ2)  

E se supoñemos diferente número de protóns para cada un dos dous bunches que se cruzan, e consideramos separadamente as dúas compoñentes x e y para σ

  L =  f· N1N2 /(4πσx σy)   

Tamén podemos expresar a Luminosidade en termos da   ε (emitancia), e βeta (función de amplitude): 

  L = f·N2/ (4·ε·β*)   (ver aquí)

 

O valor, L = 1034 cm-2 ·s-1, ven a dicir que nos detectores do LHC poderíanse producir 1034 colisións por segundo e por cm2

Dado que no LHC o valor de L é 100 veces maior que no anterior LEP ou no Tevatron (EEUU), oCERN vai ser durante moitos anos líder no campo experimental da Física de Partículas.


Despois de operar o LHC durante algúns anos cos parámetros nominais, é necesario melloralos para acadar unha máis alta luminosidade. O xeito máis directo de aumentar a luminosidade é focalizar os feixes de protóns máis estreitamente nos puntos de colisión (reducir o valor de Sef na fórmula , ou máis especificamente reducir o chamado parámetro β*) o que implicará un redeseño da "óptica mágnética" nas rexións de interacción (IR).

O tempo a considerar estará moi relacionado coa vida operativa dos sistemas magnéticos actuais sometidos durante a operación do LHC a moi altas doses de radiación. Outra reestruturación ten que ver coa cadea de inxección dos feixes, e o acelerador lineal LINAC 4 sustituiu en 2022 ao antigo sistema de inxección..

Outras opcións tamén consideradas para incrementar a luminosidade do LHC, son o aumento do número de "bunches", ou aumento do número de protóns por "bunch"Non obstante, hai limitacións en como eses parámetros poden ser variados, tales como o límite operativo de bunches e as chamadas interaccións feixe-feixe de longo rango (que se producen preto do punto de colisión entre bunches antes do cruce), os efectos debidos ás nubes de electróns procedentes das paredes dos tubos, implicacións na protección dos sistemas de colimación, ou un excesivo "apilamento" de sucesos no detector.

Todas estas accións son realizadas principalmente durante as longas paradas (LS). Ver por exemplo LS2.


A integral da luminosidade extendida no tempo chámase luminosidade integrada. É unha medida da cantidade de datos obtidos, sendo un importante parámetro para caracterizar un acelerador. Danos unha medida máis completa do seu rendemento permitindo comparar diferentes aceleradores entre si.

Mídese en unidades inversas de sección eficaz (como por exemplo: 1/nb or nb-1 - nanobarn-1 ;  1/pb or pb-1 - picobarn-1 ; 1/fb or  1fb-1  - femtobarn-1).

Nota: un femtobarn inverso (fb-1) corresponde aproximadamente a 70 billóns de colisións protón-protón.

A seguinte gráfica mostra a luminosidade integrada nos experimentos ATLAS e CMS durante diferentes LHC runs. O de 2018 produciu 65  femtobarns de datos, que son 16 puntos máis ca en 2017. (Imaxe: CERN)


A luminosidade integrada accumulado nos Runs 1 e 2 foi de 196 b-1 , e espérase chegar a 500 b-1 ao final do Run 3 .


Para máis información sobre a luminosidade do LHC ver aquí.

AUTORES

Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) pola Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembroe de 2015. Estivo vencellado ao Depto de Física de Partículas da USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), e Profesor Contratado Doutor.  Desde 2023 é Profesor Titular de Universidade nese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, foi profesor de Fïsica y Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado nol Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata oseu retiro en 2020. É licenciado en Física e en Química, e Doutor pola Universidad de Santiago (USC).(ORCID).


CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental 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

Detector FASER

Detector SND@LHC

 


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 |

···