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.
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....
Para o cálculo tomamos como valor que cada "bunch" contén 1,15·1011 protones (no LHC Run 3 -año 2022 ata 2026- alcánzanse 1.8 × 1011 protóns por bunch). Para "visualizar" este valor, téngase en cuenta que 1 cm3 de H2 en condicións normais ~1019 protones).
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.
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 ducias e ducias de colisións simultáneas (un gran número de vértices apilados -pile-up vertices) sendo isto unha mostra clara da enorme dificultade á que se enfrontan os físicos no experimento LHC.
(Sobre "pile-up" ver máis aquí...)
Colisión con catro vértices primarios observada en ATLAS o 24 de abril de 2010.
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 catedrático de Fïsica e Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física, licenciado en Química, e Doutor pola Universidad de Santiago (USC).(ORCID). |
CERN CERN Experimental Physics Department CERN and the Environment |
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 |