La fábrica de chocolates, cómo funciona el LHC del CERN y el congreso «Physics at LHC 2010»

Este divertido vídeo de youtube (si no lo has visto aún, tienes que verlo y partirte de risa) ilustra muy bien cómo funciona el análisis de las colisiones en el LHC del CERN. Si se producen demasiadas colisiones por segundo para que podamos almacenarlas todas en disco para analizarlas a posteriori hay que seleccionar qué colisiones almacenar y cuáles descartar. Estos sistemas de triggers (disparadores) descartan en tiempo real las colisiones que no son interesantes (a priori) y diparan el almacenamiento en disco las colisiones que sí parece que son interesantes para su posterior análisis. Ahora mismo se están desarrollando las primeras pruebas de estos sistemas en todos los detectores (especialmente en LHCb) ya que hasta hace solo unas semanas la luminosidad (brillo) de los haces de protones en el tubo del LHC no era suficiente para realizar estas pruebas. Las primeras pruebas están siendo todo un éxito como nos cuenta Don Lincoln, «Drinking data from a fire hose at the LHC,» Symmetry Breaking (& Fermilab Today), June 11, 2010.

Un colisionador de partículas se caracteriza por dos parámetros, la energía de las colisiones y la luminosidad. En los dos últimos meses y medio en el LHC del CERN se han colisionado protones con una energía de 3’5 TeV (una energía que equivale a 3730 veces la masa en reposo de un protón) logrando colisiones protón-protón con 7 TeV en el centro de masas. Las colisiones no se han producido todo el tiempo, ha habido gran número de interrupciones y el récord son 900 horas sostenidas de colisiones. Por otro lado, la luminosidad mide el número de colisiones por segundo, que depende del número de paquetes de protones en el túnel del LHC y del número de protones por paquete. Actualmente la luminosidad pico (o instantánea) de los haces es muy baja y se pueden guardar en disco los resultados de todas las colisiones que se producen. Hoy se observan en un minuto tantas colisiones como en un día entero a principios de abril. Pronto ese número de colisiones se observará en solo un segundo. Aún así, decenas de miles de colisiones por segundo es muy poco comparado con la luminosidad pico para la que se ha diseñado el LHC, unas mil millones de colisiones por segundo. Almacenar ahora todas las colisiones es importante para comprobar que los sistemas de descarte automático de colisiones (sistemas de trigger) funcionan correctamente, pero a máxima luminosidad instantánea será virtualmente imposible almacenar todos los datos. El análisis de estos datos requiere el uso de una amplia red de ordenadores distribuidos por todo el mundo en una red de computación en malla (grid computing network). Igual que las primeras pruebas del sistema de triggering, las primeras pruebas de la grid han sido muy positivas.

El LHC ha iniciado su andadura a 7 TeV con el mejor paso posible y se está cumpliendo con todas las expectativas, incluso mejor de lo esperado. Barbara Warmbein, «Scientists present first “bread-and-butter” results from LHC collisions,» Symmetry Breaking, June 8, 2010, nos resumió el martes pasado lo que había pasado el lunes en el congreso «Physics at LHC 2010» celebrado desde el lunes hasta ayer, sábado, en el laboratorio DESY, en Hamburgo, Alemania. Es la primera conferencia internacional de este verano sobre física de partículas y la primera en la que se presentan los primeros resultados del LHC. Permitidme mi propio resumen de dicha conferencia, obviamente sesgado y muy resumido. Lo prometí y lo prometido es deuda.

La primera charla, como no, es de Steve Myers (CERN), «Status of the LHC,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010, quien nos ha resumido el estado actual del LHC:  «el LHC es una máquina muy determinista,» ya que se está portando exactamente como se esperaba. Buenas noticias, como no, aunque ya lo sabíamos. Lo más importante de su charla nos lo cuenta al principio. Las primeras colisiones a 7 TeV en el centro de masas el 30 de marzo de 2010 tenían una luminosidad de sólo 10²⁷ (en el detector ATLAS de 8×10²⁶). El 19 de abril de 2010 se dobló el número de protones por paquete y se realizaron ciertos ajustes que permitieron multiplicar por diez la luminosidad instantánea, alcanzando una luminosidad pico de 2×10²⁸. El 22 de mayo de 2010 se incrementó el número de paquetes por haz, hasta 13 paquetes por haz, logrando un luminosidad pico de 3×10²⁹ (en el detector ATLAS de 2×10²⁹). Un factor de 300 puede parecer mucho, pero es muy poco, ya que todavía está muy lejos de la luminosidad para que está diseñado el LHC (millones de veces más alta).

Los portavoces de los cuatro mayores experimentos del LHC, es decir, ATLAS, CMS, LHCb y ALICE, nos resumieron el lunes por la mañana el estado global de dichos experimentos.

Fabiola Gianotti (CERN), «Status of and news from ATLAS,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010 [slides ppt], empezó recordando que ATLAS es el mayor detector de partículas del mundo y que colaboran en este experimento 2690 personas (el 47% con menos de 35 años), de los que el 82% son hombres y el 18% mujeres. Los resultados presentados en esta conferencia se basan en los primeros 7’9/nb (inversos de nanobarn) de colisiones, aunque ya se han almacenado unos 14’85/nb (ver la figura de arriba, parte izquierda).  Fabiola se centró en el buen funcionamiento del sistema de triggers (cuya prueba es reciente y está siendo todo un éxito) y el flujo de datos a través de la Worldwide LHC Computing Grid para su análisis (se han llegado a picos de 10 GB/s al día, ver la figura de arriba, parte derecha). Entre abril y mayo se han analizado más de 45 mil millones de eventos repartidos en unos 6 millones de trabajos ejecutados por unos 900 usuarios diferentes. En cuanto a los resultados físicos, la comparación entre los resultados experimentales y las simulaciones de Montecarlo está siendo muy buena. Por ejemplo, se han observado 612 ± 34 desintegraciones de la partícula J/ψ→μμ, sobre un fondo de ruido de 332 ± 9 eventos permitiendo una reconstrucción de la masa de esta partícula de 3’095 ± 0’004 GeV, un valor muy bueno que hay que comparar con el mejor valor actual del PDG que es 3’097. En cuanto a los bosones W y Z, con 8/nb de colisiones se han observado 17 eventos W→eν, 40 eventos W→μν, 1 evento Z→ee, y 2 eventos Z→μμ, es decir, más o menos lo esperado. Finalmente, se espera que para finales de 2010 se hayan acumulado unos 100/pb de colisiones, lo que corresponde a unos cientos de quarks tops y, si existen nuevas partículas con una masa inferior a 450 GeV, haber observado ya algún candidato a nueva física.

Guido Tonelli (INFN Pisa), «Status of and news from CMS,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010 [slides ppt], mucho más serio que Fabiola, nos recordó que colaboran en este experimento más de 3000 personas de las que más de 700 son estudiantes de doctorado. Los resultados presentados en esta conferencia se basan en los primeros 16/nb (inversos de nanobarn) de colisiones (ver figura de arriba, parte izquierda). Guido nos ha contado que tanto los triggers como el análisis de datos a través de la Grid están funcionando estupendamente. Sin embargo, también le ha recordado a los físicos más jóvenes que aunque la concorcandia entre los resultados obtenidos y las simulaciones de Montecarlo es muy buena, aún hay ciertas «colas» en las distribuciones de energía (para energías grandes) que todavía no entendemos y en ellas se pueden esconder nueva física (ver figura de arriba, parte derecha superior). CMS ha procesado más colisiones que ATLAS, por lo que han observado 1230 ± 47 desintegraciones de la partícula J/ψ→μμ, permitiendo una reconstrucción de la masa de esta partícula de 3’092 ± 0’001 GeV (un resultado pero que el de ATLAS respecto al valor oficial del PDG que es 3’097). En cuanto a los bosones W y Z, con 16/nb de colisiones se han observado 37 eventos W→eν, 57 eventos W→μν, 5 eventos Z→ee, y 5 eventos Z→μμ, de nuevo, más o menos lo esperado. Finalmente, Guido ha acabado recordando el inmenso esfuerzo que supone un experimento de la magnitud de CMS y que todavía se está estudiando la máquina para entenderla hasta sus más íntimos detalles.

Andrei Golutvin (Imperial College), «Status of and news from LHCb,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010 [slides pdf], nos recordó que como LHCb tiene una configuración horizontal sus detectores no se pueden calibrar utilizando rayos cósmicos, como se ha podido hacer con ATLAS y CMS, además sus triggers tienen un cierto tiempo muerto desde que se inician las colisiones por lo que su luminosidad integrada de LHCb es algo menor que la de ellos (ver figura arriba, izquierda). Aún así hay ciertas cosas que se observan mejor en LHCb que en ATLAS y CMS, como la resonancia ψ(2S) de la partícula J/ψ de la figura de arriba, derecha. Por ejemplo, han observado 4212 ± 98 desintegraciones de la partícula J/ψ→μμ, permitiendo una reconstrucción de la masa de esta partícula de 3088’92 ± 0’41 MeV, que difiere del valor oficial del PDG (3097) porque todavía el calibrado de los detectores no ha sido completado. En cuanto a los bosones W y Z, con 16/nb de colisiones se han observado 37 eventos W→eν, 57 eventos W→μν, 5 eventos Z→ee, y 5 eventos Z→μμ, de nuevo, más o menos lo esperado. Finalmente, Andrei nos ha indicado que para finales de año, con unos 200/pb de colisiones, LHCb tendrá muchos más datos sobre la desintegración de mesones B que el Tevatrón y podrá empezar a desarrollar estudios de nueva física sobre los parámetros del MSSM (modelo supersimétrico mínimo).

Jurgen Schukraft (CERN), «Status of and news from Alice,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010 [slides ppt], nos recordó que ALICE es un detector de colisiones de iones pesados y que las primeras colisiones de este tipo a 7 TeV se esperan para noviembre de 2010 (sólo se ha planificado un mes al año para dichas colisiones en el LHC). Varios detectores de ALICE están todavía en instalación (PHOS, TRD y EMCAL) y la calibración del resto utilizando colisiones protón-protón sólo se puede realizar de forma parcial (los eventos por ahora son muy «limpios» comparados con lo que observa RHIC o lo que se observará en noviembre). Aún así, se han obtenido resultados, pero con una luminosidad más baja que en los otros detectores. Por ejemplo, se ha observado el evento J/ψ→μμ, pero todavía no se ha analizado en suficiente detallemitiendo una reconstrucción de la masa de esta partícula.

Las otras charlas del lunes fueron menos interesantes (para los profanos), salvo quizás la de Mieczyslaw Witold Krasny, «ΔM_W < 10 MeV/c^2 at the LHC: a forlorn hope?,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010, que aborda una cuestión muy interesante: ¿se puede mejorar el valor de la masa del bosón W gracias al LHC en los próximos años (hasta 10/fb de colisiones)? La respuesta es que es muy difícil lograrlo, siendo prácticamente imposible bajar de una incertidumbre de 10 MeV. Sin entrar en detalles técnicos el problema es conocer exactamente la función de distribución de probabilidad (pdf) de los quarks en cada protón. En las energías del Tevatrón sólo influyen 2 pdf pero en el LHC influyen 7 pdf y como los espectros de los bosones vectoriales sólo nos dan 4 restricciones hay 3 grados de libertad a la hora de ajustar los datos experimentales y mejorar la medida de la masa del bosón W. «La precisión de la masa del bosón W no se puede mejorar en el LHC ni ahora ni cuando haya acabado el programa de funcionamiento del LHC» (salvo que estudien otro tipo de colisiones, como colisiones deuterón-deuterón). Aún así, la combinación de los valores de LEP, Tevatrón y LHC sí mejorará un poquito el valor actualmente establecido en el PDG.

El lunes también me han llamado la atención las charlas, sobre el quark top, más teóricas que experimentales, pues todavía no se ha hecho la pública la detección de ningún par de quarks top en el LHC, de Geraldine Servant, «4-top events from top-philic new physics at the LHC,» y Veronica Sanz, «Going over the top,» Physics at LHC 2010, 7 June 2010. Habrá que seguir con detalle el trabajo de ellas y sus colaboradores. Veronica está trabajando en nuevas maneras de detectar eventos con quarks tops diferentes a las ya utilizadas en el Tevatrón y que se han incorporado directamente en el LHC, y Geraldine nos apunta a que la detección de candidatos a materia oscura gracias a los eventos que producen 4 quarks top (que tendremos que observar el año que viene).

Para no aburrir más, en la próxima entrada hablaré de las charlas a partir del martes.