Todo un éxito el primer año de colisiones en el LHC del CERN

El 6 de diciembre de 2010 finalizaron las colisiones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, que se despide hasta el 21 de febrero de 2011. Ha sido un año intenso y apasionante. El mejor resumen posible es que ha sido mucho más fácil de lo esperado alcanzar todos los objetivos. Los análisis de las colisiones, a día de hoy, pues todavía se están analizando los resultados de los últimos meses, nos lo cuentan en la conferencia “Conference on LHC First Data,” Ann Arbor, Universidad de Michigan, 12-14 dic. 2010. Mike Lamont (LHC team) nos cuenta cómo ha funcionado la máquina (no los detectores) en “LHC Status and Plans,” Conference on LHC First Data, December 12, 2010. El resumen de este primer año en los dos grandes detectores del LHC, llamados CMS y ATLAS, nos lo ofrecen Todd Adams, “CMS in 2010: A Very Good Year,” Conference on LHC First Data, December 12, 2010, y Hong Ma (On behalf of the ATLAS Collaboration), “The ATLAS Experiment,” Conference on LHC First Data, Ann Arbor, 12 dic. 2010. Para sus primos más pequeños, ALICE y LHCb, hay que recurrir a Jennifer Klay, “Alice Status,” y Miriam Calvo Gómez, “LHCb Status,” ambas hoy 12 dic. 2010. Pero en Michigan hay muchas otras charlas interesantes. Permitidme algunos breves comentarios.

Mike Lamont nos recuerda que el LHC fue diseñado para estudiar colisiones entre protones con una energía de 7 TeV por haz, alcanzando 14 TeV en el centro de masas (c.m.) de las colisiones, con 2808 paquetes de protones simultáneos en el túnel y alcanzando una luminosidad pico (más o menos el número de colisiones por segundo) de 1034 /cm²/s. Sin embargo, este año ha funcionado a media potencia, con solo 3’5 TeV por haz, colisiones a 7 TeV c.m., con hasta 348 paquetes simultáneos y alcanzando una luminosidad pico de 2 × 1032 /cm²/s, unas 50 veces menor que la de diseño. Los imanes superconductores que dirigen los haces han llegado a almacenar una energía magnética de 28 MJ (megajulios), muy por debajo de los 360 MJ que se supone que podrían llegar a alcanzar. Estos valores han sido seleccionados por cuestiones de seguridad, aún así, nadie sabía en abril de 2010 que alcanzar estos valores iba a ser tan fácil.

Por supuesto ha habido problemas. Ya hemos hablado en este blog del “hump” (de la misteriosa vibración de los haces) que nadie sabe lo que la provoca pero que se convive con ella sin muchos problemas, aunque nadie sabe cómo afectará cuando se incremente la luminosidad de los haces el próximo año. También hemos hablado de los OVNIs (UFOs); por alguna razón los haces se pierden y hay que parar la máquina; nadie sabe lo que son pero se sabe que su número crece conforme la intensidad de los haces de protones crece, por lo que este problema deberá ser resuelto en 2011. También han surgido otros problemas menores. Mike Lamont cree que el próximo año estos problemas serán resueltos, ya que su efecto se intensificará y serán fácil descubrir su causa.

Sobre el futuro, Mike Lamont nos cuenta que el próximo año están pensando en utilizar haces a 4 TeV en lugar de los 3’5 TeV de este año. En su opinión, todo indica que será seguro su uso. Un parámetro técnico relacionado con el ángulo con el que se cruzan los haces en los puntos de colisión, llamado beta*, que este año ha sido de 3’5 m (metros), y que en teoría podría llegar a ser 0’35 m., Mike cree que el año que viene podría reducirse entre 2’5 y 1’5 m. Este año los haces protones se han separado hasta 150 ns (nanosegundos), cuando en teoría se llegarán a alcanzar los 25 ns; para el año que viene podría llegarse a los 75 ns, lo que permitirá hasta 930 paquetes de protones en el túnel. La luminosidad pico que se pretenderá alcanzar en 2011 será de 6  × 1032 /cm²/s, lo que permitirá superar un número total de colisiones entre 1 y 3 /fb. Se llegará a almacenar una energía magnética de hasta 72 MJ. Son números razonables según Lamont y no hay que forzar mucho la máquina para llegar a alcanzarlos. En Chamonix, a finales de enero, se tomará la decisión final sobre la planificación del LHC en el CERN.

Todd Adams nos ha hablado del detector CMS, un experimento de unas 12.500 toneladas, con un diámetro de 15 m y una longitud de 21’6 m. Un experimento complicado, basta recordar que la descripción técnica de sus detectores ha requerido un artículo técnico de 300 páginas, “The CMS Experiment at the CERN LHC,” J. Inst. 3: S08004, 2008. Este año CMS ha recopilado en total 43’17 /pb de colisiones p-p a 7 TeV c.m. (arriba tenéis el espectro de dielectrones con 35/pb), y 7’82 /μb de colisiones Pb-Pb a 2’76 ATeV c.m., que son pocas colisiones, pero hay que recordar que el LHC se acaba de encender y todavía está lejos de funcionar a pleno rendimiento. Bueno, os recuerdo que 1/pb se lee un inverso de picobarn y 1/μb se lee un inverso de microbarn, y que son unidades para medir el número de colisiones observadas. Os recuerdo que 1 TeV c.m. se lee un teraelectrónvoltio en el centro de masas y  es una medida de energía que equivale a poco más de 1000 veces la masa de un protón; y que 1 ATeV se lee como 1 TeV por nucleón, es decir, es la energía en las colisiones entre iones de plomo a la que acelera cada nucleón (protón o neutrón) que lo compone, pero como se usa Pb-208, estos iones de plomo tinen 208 veces más energía total. CMS ha observado muchas de las predicciones del modelo estándar, como la producción de bosones W y Z, la producción de dibosones (WW, WZ, ZZ), la de pares de quarks top-antitop, la física del quark bottom, y muchas otras cosas.

Durante noviembre y principios de diciembre, CMS ha estado estudiando las colisiones de iones pesados (plomo-plomo) en el LHC. Ha logrado observar bosones Z producidos en dichos colisiones y ha descubierto una asimetría en los chorros dobles de hadrones (dijet energy asymmetry), como ilustra la figura de arriba. Como vemos en dicha figura, las predicciones teóricas (zona sombreada) difieren de los resultados experimentales en las colisiones de iones, siendo esta diferencia más grande conforme la colisión es más central. Todavía nadie sabe por qué (pero el efecto ha sido confirmado por ATLAS el otro gran detector del LHC) y tendrá que ser objeto de estudios teóricos y más estudios experimentales el próximo año.

En resumen, el comportamiento de CMS durante 2010 ha sido excelente tanto en la eficiencia de los detectores como en los resultados físicos de las colisiones. Ya se ha iniciado la exploración del modelo estándar más allá de la región de energías que alcanza el Tevatrón del Fermilab y aunque todavía no se ha encontrado nueva física, los resultados obtenidos son de gran interés para todos.

Hong Ma nos ha hablado del detector ATLAS, el experimento más grande del LHC, con unas 7.000 toneladas, un diámetro de 12 m y una longitud de 46 m.  Este año ATLAS ha recopilado en total unos 45 /pb de colisiones p-p a 7 TeV c.m. y  9’17 /μb de colisiones Pb-Pb a 2’76 ATeV c.m. Las colisiones de protones acelerados a 3’5 TeV en el LHC lo que realmente colisionan son sus constituyentes (partones), por ello la energía de las colisiones es del orden de un tercio de los 7 TeV c.m.; la figura de arriba muestra las dos colisiones más energéticas observadas este año en ATLAS. A la izquierda está la que ha producido los dos chorros de partículas más energéticos, uno con un momento transversal (pT) de 1’3 TeV y otro de 1’2 TeV; en los calorímetros externos (rectángulos amarillos) de ATLAS lo que se observa directamente es el momento transversal (pT); la masa/energía de la partícula que ha producido estos dos chorros se calcula de forma indirecta (mjj en la figura); para los dos chorros más energéticos la energía de la colisión fue de 2’6 TeV. A la derecha tenéis la colisión más energética de todas las observadas este año con 3’7 TeV, aunque la energía de los dos chorros principales es menor que en el caso anterior, ya que aparece un tercer chorro.

ATLAS ha cumplido con todas las expectativas y ha observado gran número de colisiones de “libro” que seguro que ilustrarán los futuros libros sobre partículas elementales. Por ejemplo, abajo tenemos (un evento candidato a) la desintegración W→τν de un bosón vectorial W en una tauón (leptón tau), la traza amarilla, y un neutrino tauónico, la traza roja discontinua (no se ve en los detectores pues los neutrinos corresponden a energía perdida, en este caso 39 GeV).

Otro ejemplo, arriba, que muestra (un evento candidato a) la desintegración Z→ττ de un bosón vectorial Z en un par de tauones (leptones tau), las dos trazas amarillas en direcciones opuestas.

Se estima que este año, en ATLAS, se han observado unos 250.000 bosones W y unos 13.000 bosones Z. Arriba tenéis algunos resultados para algunas desintegraciones concretas: desintegración W→eν, de un W en un electrón y un neutrino electrónico; desintegración W→μν, de un W en un muón y un neutrino muónico; desintegración Z→ee, de un Z en un electrón y un positrón (antielectrón); y desintegración Z→μμ, de un Z en un muón y un antimuón. Resultados espectaculares para los que todavía, como yo, recuerdan “los dos primeros bosones vectoriales Z observados en el detector ATLAS del LHC del CERN,” que publiqué en este blog el 22 de mayo de 2010. Parece que fue ayer mismo. También recuerdo cuando fue “Observado el primer quark top en Europa (en el experimento ATLAS del LHC en el CERN),” de lo que no hicimos eco el 22 de julio de 2010. Ahora podemos disfrutar de eventos de gran belleza como esta desintegración de un par de quarks top-antitop en un par de leptones (electrón y muón) y un par de quarks bottom-antibottom. 

Para los que no entiendan la figura anterior, os presento (sobre fondo azul) la explicación: un quark top se desintegra en un bosón W y un quark bottom que produce un chorro de partículas con una energía de 51 GeV, desintegrándose el W en un electrón y un neutrino electrónico; el antiquark top se desintegra en un bosón W y un antiquark bottom que produce otro chorro de partículas con una energía de unos 174 GeV, desintegrándose el W en un muón y un neutrino muónico; la energía total perdida en los dos neutrinos es de unos 113 GeV. Este tipo de desintegraciones son difíciles de ver ya que un par top-antitop se desintegra el 0’24% de las veces en dos electrones, el 0’38% en dos muones y el 0’81% en una electrón y un muón (como el ilustrado en la figura). Los interesados en más detalles sobre la observación del quark top en ATLAS disfrutarán con la charla de Martinjn Gosselink, “Top physics with ATLAS,” Conference on LHC First Data, 13 dic. 2010.

No os aburro más, los resultados que se están mostrando en Ann Arbor muestran el buen estado de los detectores del LHC y nos animan a pensar que el próximo año será tan espectacular como éste. En este blog trataremos de estar al loro de lo que vaya ocurriendo.

2 pensamientos en “Todo un éxito el primer año de colisiones en el LHC del CERN

Los comentarios están cerrados.