Sección eficaz

Achegándonos ao LHC

A sección eficaz (Cross Section) - σ - é unha medida da probabilidade de que un suceso (event) ocorra.

Mídese en “barn” – 1 b = 10-24 cm2

número de sucesos por segundo ( Nev) para un determinado resultado ven dado por:

Nevento/sec = Luminosidade ·  SecciónEficazevento

Nevento/sec = L·σ evento

Xa que logo, é doado entender a importancia da Luminosidade nun acelerador como magnitude determinante á hora de considerar que un determinado suceso poida ser detectado.

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

A sección total eficaz de cruce protón-protón a 7 TeV é aproximadamente de 110 mbarns. Esta sección total pode ser distribuída na seguinte forma:
      • colisión inelástica = 60 mbarn
      • difracción = 12 mbarn
      • colisión elástica = 40 mbarn

Os eventos debidos a fenómenos difractivos o a colisións elásticas non son "vistos" polos detectores, sendo só as colisións inelásticas as que xeran partículas a ángulos suficientes respecto ao eixe do feixe.

Número de eventos producidos por colisións inelásticas:

Nevents/sec = L·σ evento

1034 x [(60x10-3)x10-24]= 600 millóns/s

Con arredor de 30 millóns de cruces/s:

600/30      20 eventos inelásticos por cruce.


 
Vexamos outro exemplo:

A sección eficaz para o evento no que aparecería un Bosón de Higgs de 100 GeV e masa, é 50 fb (femto-barn)via qq  ⇒ Zh.

Así que ,    σ = (50·10-15)·10-24cm2        σ = 5·10-38cm2

Nevents/sec = L·σ evento 

Nevents/sec =(1034(5·10-38)

 Nevents/sec = 5·10-4

 

Polo tanto, en el LHC hai 5·10-4 eventos por segundo que xerarán un Bosón de Higgs con tal masa, se obviamente existe na natureza.

Para entendelo mellor, imos calcular o inverso desa cantidade:

t = 1/(5·10-4) = 2000 s            t = 33 minutos

Daquela, cada 33 minutos unha partícula de Higgs desa masa debería aparecer no detector. Polo tanto, en 10 horas dun día de funcionamento serían 20 bosóns de Higgs os que poderían ser detectados.

Pero miles de millóns de colisións se producirán no detector nese tempo. Compréndese que o traballo para distinguir eses 20 eventos no medio de tantos outros implica un traballo de computación colosal.

A seguinte figura mostra a sección eficaz de producción de bosóns Higgs no LHC, segundo diferentes vías en función da masa.

(Tomado de Flip Tanedo,  An Idiosyncratic Introduction to the Higgs)


 

Estudemos agora un terceiro caso.

LHCb é o experimento adicado á física do quark b no LHC. O seu principal obxectivo é buscar evidencias indirectas dunha nova física en relación coa violación CP e raros decaementos de hadróns que conteñen quarks b e c.

Comparado a outros aceleradores existentes en operación, o LHC é de lonxe a maior fonte de B mesóns, debido a alta sección eficaz para a produción de pares bƃ (σ  ~ 500 μb a 14 TeV) e a alta luminosidade (2·1032 cm-2 s-1, por término medio).

Calculemos o número de eventos  ( pares):  

 Nevent/s = σ x L    Nevent/s = (500·10-6·10-24)x(2·1032)

 Nevent/s = 105  pares/s

Un ano normal de traballo para este detector supón unhas ~280 hours (~107 s)

Entón,

(105  pairs/s)x(10s/ano) =1012  pares/ano 

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 |

···