Hoy se han producido las primeras colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. en el LHC del CERN

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Hoy 5 de abril, a las 00:38 horas, el  Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ha colisionado por primera vez dos haces de protones cada uno con una energía de 4 TeV (teraelectrónvoltio); durante el año pasado todas las colisiones fueron de haces de protones con 3,5 TeV. Para lograr estas primeras colisiones se han necesitado varias semanas de trabajo para lograr haces estables, preparar los detectores y comprobar todos los software de análisis. La luminosidad (número de colisiones por segundo) es muy baja, pero poco a poco en las próximas semanas estos números crecerán exponencialmente. La figura que abre esta entrada en tiempo real aquí.

La noticia en varios medios: “LHC physics data taking gets underway at new record collision energy of 8TeV,” CERN Press, 5th April, 2012; Vídeo “CERN News – Physics restarts in the LHC at new record energy,” modificado 05 Apr 2012 del original de 30 Mar 2012; “LHC physics data taking gets underway at new record collision energy of 8 TeV,” Symmetry Magazine, April 5, 2012; y muchas otras fuentes.

PS: En Menéame me han pedido una explicación en “cristiano” y como estamos en Semana Santa creo que debo ofrecerla.

Usa CC para poner subtítulos y el traductor a español si no sabes inglés.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN es un colisionador de partículas circular en el que se inyectan dos haces de protones (núcleos de hidrógeno) que recorren el túnel en direcciones opuestas. Cada haz de partículas está formado por paquetes de protones (algo así como que los haces están hechos a base de ráfagas). Durante 2010 y 2011 las colisiones en el LHC del CERN han sido con una energía por haz de protones de 3,5 TeV, es decir, han sido colisiones a 7 TeV en el centro de masas de la colisión. Para el año 2012 se tomó la decisión de subir la energía a 8 TeV en el centro de masas, es decir, usar haces de protones a 4 TeV. Hay que recordar que 1 GeV es la energía equivalente a la masa de un protón (más o menos, pues son 0,938 GeV) y que un 1 TeV son 1000 GeV, luego los protones que recorren el túnel del LHC tienen una energía de 4000 GeV, es decir, 4264 veces la energía equivalente a su masa.

El 30 de marzo de 2012 los primeros haces de protones con 4 TeV recorrieron el túnel del LHC, pero estos haces no eran suficientemente estables como para poder pasar a modo colisiones, así que recorrían el túnel sin cruzarse, mientras se hacían múltiples prueba y ajustes. Hoy 5 de abril, por primera vez, los haces han sido lo suficientemente estables como para que se pasara la máquina a modo colisiones.

Hoy sobre las 00:37 (según el twitter del control de haces) se lograron haces estables y se pasó a modo colisión (según las noticias del CERN fue a las 00:38) y se han producido las primeras colisiones del año 2012. Estas colisiones son de récord, las de mayor energía en el LHC. El número de colisiones por segundo ha sido muy pequeño (se usaron 3 paquetes de protones por haz); cuantos más paquetes tienen los haces y cuanto mayor número de protones hay por haz, mayor es el número de colisiones por segundo (luminosidad instantánea). El LHC estuvo en modo colisiones durante casi 3 horas.

Hoy sobre las 05:34 se inyectaron haces con 47 paquetes de protones por haz y el LHC ha estado en modo colisiones hasta las 09:42. Hoy a las 12:13 se han vuelto a inyectar haces a 47 paquetes por haz.

En resumen, las colisiones del LHC ya están en marcha. Y son colisiones de récord.

Por cierto, ¿cómo se sabe en la figura que abre esta entrada que el LHC está en modo colisiones? ¿Cómo sabemos que son colisiones a 4 TeV c.m.?

El número de colisiones se mide con la luminosidad instantánea (Fill luminosity, instantaneous) para los diferentes detectores (ATLAS en amarillo, CMS en verde, LHCb en azul y ALICE en rojo). El número total de colisiones acumuladas (grabadas en disco) durante el año 2012 (la luminosidad integrada) aparece como la curva gruesa en amarillo justo en el valor cero; por ahora no se están grabando colisiones en disco. Estas curvas solo se ven cuando el LHC está en modo colisión, por eso, gracias a ellas, sabemos que esta madrugada se han producido las primeras colisiones de 2012 en el LHC.

La intensidad (número de protones por paquete) y la energía (cada protón) en los haces aparecen en esta figura. Las curvas azul y roja corresponden a la intensidad en cada uno de los haces (B1 y B2), que empiezan en casi unos 6 billones de protones y decaen conforme se van produciendo las colisiones (recuerda que hay 47 paquetes sobre las 05:00 y que había solo 3 paquetes sobre las 01:00, mira de nuevo la figura que abre esta entrada); la curva verde corresponde a la energía (cinética) de cada uno de los protones en cada haz, en este caso, 4 TeV por protón.

PS (2): Colisión a 8 TeV observada en el detector CMS del LHC hoy mismo.

PS (6 abril 2012): La inyección #2469 con 3 paquetes de protones por haz y las primeras colisiones de 2012 duró entre las 00:38 y las 2:04 del 5 de abril y se sumaron 39 nb-1 de colisiones; para dar una idea de los avances, hoy la inyeccio´n #2479 con 84 paquetes por haz duró 3:45 horas (entre las 15:00 y las 17:45) sumando 2,9 pb-1 de colisiones. Como he dicho en Twitter, esto va viento en popa.

7 pensamientos en “Hoy se han producido las primeras colisiones protón-protón a 8 TeV c.m. en el LHC del CERN

  1. “… y que un 1 TeV son 100 GeV…”
    Serán 1000 GeV, supongo…

  2. Bastante ilustrativa la entrada, dentro de poco y con tus explicaciones, me harè un experto en esa màquina, es muy entendible y con el tiempo se convierte en una rutina.

  3. Bueno, se acerca la hora de la verdad. Son demasiados años sin avances importantes en física fundamental (salvo quizás la física de neutrinos), ahora por fin pueden empezar a llegar las respuestas. Con un poco de suerte este verano se podría proclamar el descubrimiento del Higgs de 125 GeV. Hay que recordar que el verdadero objetivo es estudiar las características del campo de Higgs y que este campo, a parte de tener importantísimas funciones en física fundamental puede tener también profundas implicaciones en cosmología. Según lo que he leído por ahí la hoja de ruta en el camino hacia este objetivo fundamental sería algo parecido a esto:
    1- Discover the Higgs
    2- Determine the mass
    3- Determine the spin and parity quantum numbers
    4- Determine the decays
    5- Measure the Yukawa like patterns
    6- Measure the relation between fermions and gauge boson couplings
    7- Observe rare decay modes
    8- Search for/observe unexpected decay modes (e.g. into new particles)
    9- Measure the total width of the Higgs
    10- Reconstruct the Higgs potential by determination of the Higgs self coupling
    11- Determine the nature of the Higgs particle (SM, SUSY, composite)

    Francis (o quien quiera-pueda responder) ¿Se sabe cuales de estos parámetros pueden ser establecidos por el LHC y cuales tendrán que ser medidos por el futuro LC? .Creo, por lo que he podido leer que el LHC podrá realizar el 1,2,4,7 y 11 y quizás con suerte el 8 y el 9. ¿Es cierto? Por cierto, otra pregunta, el punto 3 habla de establecer el spin del Higgs ¿No está fijado por la teoría electrodébil que el spin del Higgs tiene que ser 0?

    • No sé si puedo contestar correctamente la pregunta. Pero lo intentaré, perdón si meto la pata.

      Obviamente, 1 y 2 son labor del LHC; pronto será una máquina de Higgs y cuando acumule unos 100 /fb de datos determinará con gran precisión la masa.

      En cuanto a 3, John Ellis lleva unos meses diciendo que ya es posible saber que la partícula a 125 GeV que parece que ha observado el LHC no tiene espín dos ni uno, con lo que debe tener espín cero.

      En cuanto a su paridad, también punto 3, no estoy seguro, pero creo que habrá que acumular muchas colisiones, más de 300 /fb en el LHC, para poder hacerlo. Lo mejor es utilizar el ILC.

      Casi todas desintegraciones del Higgs, punto 4, será posible determinarlas gracias a ATLAS, CMS y LHCb, pero será necesario esperar algunos años para los menos probables (punto 7).

      Algunos acoplamientos de Yukawa para el Higgs (como el ttH o el bbH) se podrán determinar con precisión, sin embargo, para el resto habrá que recurrir al ILC.

      En cuanto a 6, el LHC podrá determinar los acoplamientos con errores entre el 10% y el 40% tras acumular muchas colisiones (pongamos 100 /fb) y algunos cocientes entre acomplamientos con menos del 5%, sin embargo, para obtener valores absolutos precisos habrá que recurrir al LC.

      En cuanto al punto 8, no sé, supongo que sí, este punto está relacionado con 7 y 4.

      La anchura total de un Higgs con una masa menor de 200 GeV es muy difícil de medir en el LHC. Quizás cuando se acumulen unos 300 /fb se puede calcular con un error del orden del 10%, pero no estoy seguro sobre esto.

      El punto 10 es difícil con el LHC, sino imposible y ahí el ILC no tiene competencia.

      Creo que 11 si está al alcance en el rango de energías de 100 GeV a 2 TeV; la posibilidad de que haya otros Higgs aparte del que parece que tiene 125 GeV no se podrá descartar de forma absoluta si su masa es muy superior a 2 TeV y es posible adaptar SUSY y los modelos compuestos para lograrlo. Aún así en LHC resolverá el punto 11 en gran medida.

      Espero haber contestado bien a la pregunta.

      Una cosa que no debemos olvidar es que los físicos (jóvenes) desarrollarán nuevas ideas y nuevos análisis sobre cómo medir las propiedades del Higgs y que cosas que ahora pueden parecer imposibles, gracias a la imaginación de los jóvenes, podrían estar al alcance del LHC. La imaginación al poder.

      • Muchas gracias Francis por tu detallada y precisa respuesta. Evidentemente a fecha de hoy existen incertidumbres sobre lo que el LHC será capaz de lograr y como dices los jóvenes físicos tendrán la oportunidad de realizar nuevos enfoques para alcanzar cosas que ahora nos parecen inalcanzables. Una cosa esta clara: los próximos meses-años van a ser muy emocionantes, conforme el LHC acumule colisiones y los experimentos de física de neutrinos se vayan perfeccionando la densa niebla que ahora cubre la física fundamental se irá disipando y quizás podamos contemplar el bello paisaje que hay detrás de la misma.

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