By: Sarah Charley
A finales de esta década, el Gran Colisionador de Hadrones se actualizará al LHC de Alta Luminosidad. ¿Qué significa “luminosidad” en la física de partículas?
Incluso en los días más calurosos y secos, los rayos del sol son demasiado débiles para encender un fuego. Pero con una lupa (o, en algunos casos desafortunados, un adorno de jardín de vidrio), puede enfocar la luz del sol en un rayo lo suficientemente brillante como para prender fuego a la yesca.
En el Gran Colisionador de Hadrones, los científicos aplican este mismo principio al enfocar haces de protones (o a veces iones pesados) antes de pasarlos por los cuatro puntos de colisión del acelerador. Las colisiones de partículas de alta energía permiten a los científicos estudiar las leyes fundamentales de la física y buscar nuevas partículas, campos y fuerzas.
Al enfocar con precisión los haces de protones justo antes de colisionarlos, los científicos pueden aumentar rápidamente el número de eventos de colisión que deben estudiar.
Científicos, ingenieros y técnicos del CERN y de todo el mundo, incluido el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi, el Laboratorio Nacional Brookhaven y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, juntos como parte del Programa de Actualización del Acelerador LHC de Alta Luminosidad de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. nuevos imanes de enfoque, que comprimirán los protones en colisión en volúmenes aún más pequeños. También están diseñando nuevos imanes impulsores, que golpearán las trayectorias de las partículas entrantes para ayudar a que los dos haces se encuentren cara a cara en el punto de colisión.
A fines de la década de 2020, los científicos encenderán un LHC de alta luminosidad turboalimentado. La actualización aumentará el número total de posibles colisiones que los científicos deben estudiar en al menos un factor de 10.
¿Por qué luminosidad y no colisiones?
Como habrás notado, cuando los físicos hablan de colisiones de partículas, hablan de una medida llamada luminosidad . No les dice a los científicos exactamente cuántas colisiones de partículas están ocurriendo dentro de un colisionador; más bien, la luminosidad mide qué tan apretadas están las partículas en los rayos que se cruzan. Cuanto más apretado sea, más probable es que algunas de las partículas choquen.
En el HL-LHC, se espera que 220 mil millones de protones pasen a través de otros 220 mil millones de protones cada 25 nanosegundos en las cuatro intersecciones experimentales del acelerador. Pero la gran mayoría de los protones no interactuarán entre sí. Incluso con la mejor tecnología de enfoque de haz actual, las probabilidades de que un protón choque con otro protón dentro del anillo del LHC siguen siendo significativamente menores que las probabilidades de ganar el premio mayor de Mega Millions.
Los protones no son orbes sólidos que rebotan, se rompen o se rompen cuando entran en contacto entre sí. Más bien, son paquetes desordenados de campos e incluso partículas más pequeñas llamadas quarks.
Dos protones podrían atravesarse entre sí, y existe la posibilidad de que todo lo que hagan sea reproducir esa escena de la película Ghost en la que el actor Patrick Swayze, interpretando al fantasma titular, mete su cabeza etérea en un tren en movimiento, sin ningún efecto. Puede llevar los protones a una colisión frontal, pero no puede hacer que interactúen.
Incluso si dos protones interactúan, ¿cuenta como una colisión? Si dos protones se cruzan y la onda de choque de sus campos electromagnéticos que se cruzan expulsa algunos fotones, ¿eso cuenta? ¿Qué pasa si uno de estos fotones perdidos atraviesa el corazón de otro protón? ¿Qué pasa si dos protones se rozan entre sí y disparan un montón de partículas, pero permanecen intactos?
Las colisiones son complicadas. Entonces, los físicos hablan de luminosidad en su lugar.
Tasa de colisión
La velocidad a la que las partículas se juntan para colisionar se llama “luminosidad instantánea”.
“La luminosidad instantánea depende del número de partículas en cada haz que colisiona y del área de los haces”, dice Paul Lujan, un postdoctorado en la Universidad de Canterbury que trabaja en las mediciones de luminosidad para el experimento CMS. “Un tamaño de haz más pequeño significa más colisiones potenciales por segundo”.
En 2017, los físicos del LHC lograron un nuevo récord cuando midieron una luminosidad instantánea de 2,06 x 10 34 por centímetro cuadrado por segundo. (Multiplique el número de protones en cada haz, luego divídalo por el área del haz, en centímetros cuadrados, a lo largo del tiempo).
“Las unidades de luminosidad son un poco poco intuitivas”, dice Lujan, “pero nos da exactamente la información que necesitamos”.
Cuando los científicos cargan el LHC con un nuevo lote de partículas para colisionar, los mantienen en funcionamiento mientras los rayos estén en buenas condiciones con suficientes partículas restantes para tener una buena luminosidad instantánea.
Teniendo en cuenta que el llenado promedio de un LHC dura entre 10 y 20 horas, el número de posibles colisiones puede aumentar muy rápidamente. De modo que a los científicos no solo les importa la luminosidad instantánea; también se preocupan por la “luminosidad integrada”, cuántas colisiones potenciales se acumulan durante esas horas de funcionamiento.
No pude golpear el lado ancho de la puerta de un granero
La diferencia entre la luminosidad instantánea y la luminosidad integrada es la diferencia entre “En este momento estoy conduciendo a 60 millas por hora” y “Durante diez horas, conduje 600 millas”.
Para la luminosidad integrada, los físicos cambian de centímetros cuadrados a una nueva unidad de área: el granero, una referencia al modismo, “No se pudo golpear el lado ancho de un granero”. Desde el punto de vista de una partícula subatómica, “el granero” es tan masivo que sería difícil pasarlo por alto.
El granero se inventó durante la década de 1940. Su tamaño real, 10-24 centímetros cuadrados, se clasificó hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Eso es porque es equivalente al tamaño de un núcleo de uranio, un ingrediente clave en la bomba atómica recién desarrollada en ese momento.
El granero se mantuvo después de la guerra y se convirtió en una forma estándar de medir el área en física nuclear y de partículas.
Hablando en graneros y una unidad aún más pequeño igual a 10 -15 graneros llamados los “femtobarn” -Permite a los físicos a tomar un número enorme y convertirlo, convirtiéndolo de algo demasiado tiempo para escribir en el lado de un granero real en algo que podría caber en una postal.
Los físicos también usan femtobarns para medir la probabilidad de un proceso subatómico, llamado su “sección transversal”.
“Imagínese una pelea de comida en una cafetería”, dice Luján. “Podemos predecir la cantidad de personas que salpicarán con una albóndiga perdida [una” interacción de albóndigas “, si se quiere] en función de la cantidad de personas presentes, el área y las dimensiones de la cafetería, cuánto tiempo dura la pelea de comida [ que se puede utilizar para calcular la “luminosidad integrada” de todas las interacciones posibles, incluidas las interacciones de albóndigas], así como la probabilidad de ese proceso en particular [la “sección transversal” de una interacción de albóndigas] “.
Para probar las leyes de la física, los físicos comparan sus predicciones sobre la probabilidad de ciertos procesos con lo que realmente ven en la práctica.
Con la actualización del HL-LHC, los científicos están aumentando el número de protones, disminuyendo el diámetro de los puntos de colisión y alineando mejor las trayectorias de los protones. Todos estos cambios ayudan a aumentar la probabilidad de que los protones interactúen entre sí cuando cruzan las intersecciones del LHC. El mayor número de oportunidades de colisión ayudará a los físicos a encontrar y estudiar procesos y partículas raras que son clave para comprender las leyes fundamentales de la física.
