Por qué el LHC del CERN se diseñó para colisionar dos haces de protones de 7 TeV

Los protones son partículas compuestas de quarks y gluones (partones). Cuando dos protones colisionan entre sí en realidad colisionan los quarks y gluones que los constituyen. La energía de cada quark es aproximadamente 1/6 de la energía total del protón. Si queremos colisiones de dos quarks cada uno con 1 TeV debemos usar protones con una energía como mínimo de 6 TeV. Por si acaso, se decidió diseñar el LHC para colisionar protones con una energía un poco mayor, 7 TeV. Por ello, a máxima energía, en el LHC del CERN se colisionarán protones contra protones con una energía en el centro de masas de 14 TeV, lo que significa que en realidad colisionarán partones (quark-quark, gluón-gluón) con una energía en el centro de masas menor de 2’33 TeV, en el mejor caso. En la práctica la mayoría de las colisiones de partones tendrán una energía del orden de 1 TeV en el centro de masas. Por qué conformarse con colisiones de partones hasta de 1 TeV. Porque el objetivo fundamental del LHC del CERN es estudiar en detalle la escala de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, es decir, energías hasta 1 TeV (y un poco mayores). Como en las colisiones protón-protón en realidad colisionan los partones (quarks y gluones), no importa si colisionan protones contra protones o protones contra antiprotones, siendo  la primera opción mucho más barata. La figura muestra una colisión típica en el LHC que produzca un bosón de Higgs, pp → qq → WW→ H → ZZ, donde la colisión protón-protón, en realidad es un colisión quark-quark, que en realidad es una colisión entre bosones W, que produce un Higgs que se desintegra en un par de bosones Z que a su vez se desintegrarán en chorros (jets) de partículas. En resumen, dos protones colisionan y observamos dos chorros de partículas aunque han ocurrido muchas cosas en el intríngulis. Más detalles de carácter divulgativo sobre estos asuntos en Rohini M. Godbole, “Story of a journey: Rutherford to the Large Hadron Collider and onwards,” ArXiv, Submitted on 6 Jul 2010. Más información técnica sobre el diseño el LHC en Lyndon Evans y Philip Bryant, “LHC Machine. The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments,” Journal of Instrumentation 3: S08001, August 2008 [165 páginas, artículo gratuito].

4 pensamientos en “Por qué el LHC del CERN se diseñó para colisionar dos haces de protones de 7 TeV

    • Sí, sin lugar a dudas, solo es una cuestión de tiempo. Seguramente en febrero de 2013 se programen las primeras colisiones a 14 TeV.

      El programa actual durante 2010 se está cumpliendo muy bien. Lento pero seguro. 2010 es un año de preparación para sostener durante 2011 colisiones a 7 TeV a una luminosidad 100 veces inferior a la óptima. 2012 será una parada técnica para preparar el LHC para colisiones a 14 TeV (salvo que se descubra el Higgs en noviembre de 2011 a 7 TeV).

      En 2013 ya habrá colisiones a 14 TeV, aunque con una luminosidad baja y creciente durante todo el año. Será un año de preparación del LHC para colisiones a 14 TeV en 2014 con una luminosidad 10 veces inferior a la óptima.

      Todo está preparado para que en el año 2015 haya otra parada técnica. A 6 años vista es difícil preveer lo que puede pasar, pero se espera que se acabe 2016 con una luminosidad óptima y colisiones a 14 TeV.

      Más allá de 2016 ya hay que hablar del superLHC (SLHC) con colisiones a 14 TeV pero 10 veces más luminosas que la óptima. Aunque esto podría retrasarse y acercarse a 2020.

      Recuerda, alcanzar colisiones a 14 TeV no es un problema, el problema es alcanzar una luminosidad óptima, esto es lo que requiere ajustar la máquina hasta el límite.

  1. ¿has leído esto?

    http://www.independent.co.uk/news/science/forget-the-large-hadron-collider-all-hail-cerns-new-straightline-atom-smasher-2029213.html

    Aquí hablan de un “supercollider” lineal para dentro de 7 años… para el 2017, y tu me hablas de óptima luminosidad para el 2020…

    Me temo que los 3 años de retraso que lleva LHC le condicionen para toda la vida.

    De hecho Tevatron estaba pensado para cerrarse este año, y por el momento es la Estrella Invitada de todos los meetings…

    • Sí, ya lo leí gracias Lubos en TRF (Popular Science se ha hecho eco). No sé qué decir. El ILC estaba pensado para EEUU y ahora afirman que lo están pensando para Europa. Es un proyecto muy caro: casi el doble de caro que el LHC (y ya en la etapa de diseño); los sobrecostes pueden subir esta cifra. En mi opinión no es un proyecto viable todavía. Hasta que el LHC no esté a pleno rendimiento y se pueda vender el ILC como algo realmente útil no creo que los gobiernos europeos lo financien.

      Por cierto, entre los tres “sucesores” del LHC (y del Tevatrón) se encuentran el ILC (International Linear Collider), el CLIC (Compact Linear Collider) y el MC (Muon Collider). Los dos primeros usan electrones y el tercero muones (electrones pesados). En el Fermilab parece que están apostando por el MC. A mí es el que personalmente me parece más prometedor, pero los 3 proyectos son muy caros. Demasiado.

      ¿El ILC para 2017 y en el CERN? No lo creo. Habría que aprobar su financiación a final de este año (2010) y Europa no tiene dinero para el ITER y no le queda otro remedio que pagarlo. No creo que los políticos europeos se comprometan en un proyecto como el ILC. En mi opinión, no soy experto, la noticia en el Independent no tiene ni pies ni cabeza.

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