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, 1034 cm-2 ·s-1, ven a dicir que nos detectores do LHC poderíanse producir1034 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 que o LHC teña operado durante algúns anos cos parámetros nominais, será necesario melloralos para acadar unha máis alta luminosidade. O xeito máis directo de aumentar a luminosidade é focalizar os feixes de protóns mas 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. Pode estimarse que estamos a falar de arredor do ano 2015.

Outra reestruturación ten que ver coa cadea de inxección dos feixes e que se perfila para o horizonte de 2020.

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.


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).

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

 

Para máis información sobre a luminosidade do LHC ver aquí.

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 | Modelo baseado no deseno da web do CERN

···