Ya hay colisiones protón-protón en el LHC que presentan más de 30 vértices “apilados”

Esta figura muestra una colisión protón-protón con una energía de 8 TeV en el centro de masas en el detector ATLAS del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Como los protones tienen una estructura interna complicada, cada colisión protón contra protón corresponde a múltiples colisiones individuales de quarks y gluones, llamadas vértices. En el análisis de colisiones interesa el vértice más energético (aunque no siempre), siendo el resto de los vértices “ruido” para los análisis (así como para los triggers (disparadores) que deciden en tiempo real cuando almacenar en disco una colisión concreta). En esta figura se muestra un evento de principios de 2012 que presenta 25 vértices. A este fenómeno se le llama “apilado” (pileup) de colisiones y como muestra la figura de abajo, ahora mismo se están alcanzando valores de más de 30 vértices en algunos eventos. En la figura se ha marcado un vértice en concreto con dos líneas en amarillo, que corresponden a la trayectoria de dos muones resultado de la desintegración de un bosón Z, el vértice más energético de todos, los 24 vértices restantes no tienen ningún interés (para los físicos son puro “ruido”). En la mayoría de las colisiones que se están grabando en disco pasa esto (el número medio de colisiones apiladas es de 15), lo que complica los análisis de dichas colisiones. Como nos cuenta Klaus Mönig, “ATLAS Status Report” [slides, video] este es el gran problema en el análisis de colisiones en ATLAS durante 2012. Se ha realizado un gran esfuerzo para preparar todos los algoritmos de análisis para lidiar con el pileup y minimizar su impacto. Todavía recuerdo cuando comenté en junio de 2010 que conforme la luminosidad crece, las colisiones en el LHC del CERN se complican y ya hay colisiones con cuatro vértices primarios. Parece ayer, pero hoy en día observar colisiones “limpias” es casi imposible (ya os presenté en 2011 el evento más limpio observado en el experimento CMS del LHC en el CERN, hasta entonces, aunque quizás desde entonces no haya ninguno más limpio).

Lo mismo nos cuenta Yves Sioris, “CMS Status Report” [slides, video], quien nos comenta algunas de las técnicas de mitigación de los efectos del pileup (PU), como las correcciones evento a evento basadas en la densidad de energía media de los haces, técnicas de siguimiento local de los vértices adaptadas a cada tipo de evento, técnicas basadas en el flujo de partículas (particle flow), etc. (todas estas técnicas se validan mediante simulaciones por métodos de Montecarlo). Sin entrar en los detalles hay que destacar que los “canales de oro” para la búsqueda del Higgs, como las desintegraciones en dos fotones o en múltiples leptones, sufren poco el fenómeno del pileup, pues se basan en las trazas dejadas por estas partículas en los calorímetros. Por contra, otras búsquedas de nueva física son muy afectadas por el pileup y para ellas mantenerlo bajo control requiere enormes esfuerzos. Yves Sioris también nos cuenta que el objetivo de CMS para 2012 es alcanzar  una  luminosidad instantánea pico (el máximo número de colisiones por segundo) de 7 × 10³³ /cm²/s. Están cerca pero todavía no se ha logrado el objetivo.

Steve Myers (CERN) nos cuenta su charla “LHC Machine Status Report” [slides, video] que se ha planificado que este año el LHC logre superar 15 /fb (inversos de femtobarn) de colisiones, aunque bastan 13,3 /fb para encontrar el bosón de Higgs a 5 sigmas con colisiones a 8 TeV c.m., porque se ha considerado un márgen de seguridad mínimo del 15% para lidiar con seguridad con el incremento del pileup de colisiones (entre otras razones). Más aún, en su charla también nos indica que si fuera necesario para confirmar el descubrimiento del Higgs, incluso se podrían retrasar un par de meses el inicio de la fase de reparación del LHC planificada para 2013. La prioridad para el año 2012 es, fuera de toda duda, la búsqueda del Higgs. Seguramente no será necesario este retraso pues ahora mismo la luminosidad instantánea pico supera el valor estimado a principios de año para 2012. Ahora mismo se está superando sin problemas un inveso de femtobarn a la semana (por ejemplo, la semana del 4 al 11 de junio se acumularon 1,133 /fb de colisiones).

En resumen, el año 2012 está siendo todo un éxito, pero quienes controlan los haces tienen una misión clave que cumplir, vigilar con extremo cuidado que la máquina esté protegida ante cualquier posible incidente (actualmente en modo colisiones se almacenan 120 MJ (megajulios) de energía). Como acaba siempre sus charlas Steve Myers, crucemos los dedos para que no haya ningún problema con el LHC durante este año (porque la suerte también tiene que acompañar al buen hacer).

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2 pensamientos en “Ya hay colisiones protón-protón en el LHC que presentan más de 30 vértices “apilados”

  1. ¿Que pasará mas alla de 2013? ¿Cuales son los planes de trabajo una vez se acote bien al Higss? Creo que sería un buen tema para una entrada

  2. Francis supongo que cuando hablas de suerte y de incidentes te refieres a esto:
    “Myers also reported a scary story about a situation that nearly led to LHC armagedon last week when they discovered in testing that the beam dump system relied on a power supply that formed a single point of failure. A simple fault could have led to a situation where the beams could not be dumped even when a failure signal would normally abort the run. The beams would have kept circulating like an unstoppable train with the only possible outcome being the loss of 120 MJ of beam energy around the accelerator ring with the potential to destroy almost anything and everything in the collider”
    Yo cuando lo he leído en Vixra no me lo podía creer, desde luego asusta solo de pensarlo. No se exactamente a que se refiere con lo de “single point of failure” pero sería de esperar que este tipo de fallos estuviese previsto y protegido aunque claro desde fuera todo se ve distinto, desde dentro lidiar con los problemas técnicos de la máquina más compleja jamás construida debe ser bastante duro.
    Por cierto Gibbs dice que incluso es posible que en el ICHEP se presenten los resultados combinados de 2011 y 2012 por lo que existe la posibilidad (pequeña) de que se pudiese anunciar el descubrimiento del Higgs el día de San Fermín.

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