Se inician las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

Dibujo20130121 cms lhc cern - fri jan 18 - pPb collisionjpg

Ya se han iniciado las colisiones protón-plomo (pPb) en el LHC del CERN, que durarán cuatro semanas. En estas colisiones se utiliza el núcleo del ión de plomo 208, que tiene 208 nucleones (82 protones y 126 neutrones). En las colisiones protón-protón, SPS inyecta en el LHC protones con una energía de 0,45 TeV que son acelerados hasta los 4 TeV (en 2012) para lograr colisiones a 8 TeV c.m. (por nucleón). Los iones de plomo que inyecta SPS tienen una energía total de 36,9 TeV (0,18 TeV por nucleón) y son acelerados hasta 328 TeV (1,58 TeV por nucleón). Las colisiones protón-plomo se producen a 5 TeV por nucleón en el centro masas. La frecuencia de cruce de haces en las colisiones protón-protón es de 20 MHz, pero en las protón-plomo se reduce a 2 MHz (en las plomo-plomo solo se alcanzan los 4 kHz); entre los dos millones de sucesos por segundo solo unos 1000 serán grabados en disco para su posterior análisis.

La figura que abre esta entrada muestra un suceso pPb del pasado viernes 18 de enero observado en CMS (las colisiones se iniciaron el día 17 en fase de pruebas, aunque hasta el 20 a las 15:08 no se logró entrar en modo colisiones pPb de forma estable y sostenida). Los más curiosos se preguntarán por qué no se observan trayectorias (normalmente dibujadas en color naranja) en la parte central del suceso (círculo central en la parte izquierda de la figura y cilindro en la parte derecha). La razón es que el detector interno (utilizado para el seguimiento de la trayectoria de las partículas cargadas) ha sido desactivado. En la figura, las barras de histograma corresponden a la energía depositada en las colisiones en los calorímetros electromagnéticos (en color rojo) y hadrónicos (en color azul); te recuerdo que los primeros detectan electrones, positrones y fotones, y que los segundos detectan protones, neutrones y piones). En dicha figura se observan claramente dos chorros producidos en la colisión formados por múltiples partículas, tanto leptones como hadrones.

Más información en Achintya Rao, “Colliding different particle species: the LHC’s proton-lead run,” CMS News, 18 Jan 2013; Cian O’Luanaigh, “Protons smash lead ions in first LHC collisions of 2013,” CERN News, 21 Jan 2013; Signe Brewster, “First proton-lead collision test at the LHC successful,” Symmetry Breaking, Sep 14, 2012; Ashley WennersHerron, “A bullet through an apple. Physicists have begun the first full run of proton-lead collisions in the Large Hadron Collider to learn more about the beginning of our universe,” Symmetry Breaking, Jan 21, 2013.

Dibujo20130121 proton-nucleus physics - flat top - lhc cern 21-01-2013

El cambio de modo pp a pPb no es fácil, pero ha sido logrado con completo éxito, permitiendo el inicio de un nuevo programa de física. Para determinar los parámetros de la inyección se ha utilizado la experiencia que hace 10 años se recabó en las colisions deuterio-oro (D-Au) en el RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) del Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL), New York. En esta figura se muestra un panel del LHC del Fill #3479, hoy a las 08:16, en el que se inyectaron 338 paquetes de protones y de iones de plomo.

Dibujo20130121 lhc cern - collision points and detectors

Me gustaría destacar que en el experimento CMS se han incorporado dos subdetectores (CASTOR y ZDC), que fueron desactivados durante los dos últimos años, y se está operando en conjunto con TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC), el otro dectector que se encuentra en el punto 5 de cruce de haces (recuerda que ATLAS y LHCf se encuentran en el punto 1, LHCb en el 8 y ALICE en el 2; imagen ilustrativa). Ambos detectores utilizan algoritmos de análisis diferentes pero se complementarán durante las colisiones pPb de tal forma que CMS observará la región central de la colisión y TOTEM la región en la dirección “muy hacia adelante” de los protones, la dirección del propio tubo del LHC (“very forward region”).

Dibujo20130121 totem lhc cern - experimental setup

El experimento CMS es como un cilindro con 15 m de diámetro y 21,5 m de largo cuyo centro se encuentra en el punto IP5 (en esta figura todo lo que está a la izquierda, incluyendo los rectángulos de color celeste que es el espectrómetro de muones); CMS estudia con precisión las colisiones con una pseudorapidez entre −2 < η < 2 (la pseudorapidez corresponde al ángulo polar en coordenadas esféricas alrededor del punto de cruce de los haces). TOTEM tiene dos detectores T1 y T2, el primero en naranja en la imagen entre 7,5 y 10,5 metros del punto de cruce IP5, y el segundo, más pequeño, a 13,5 metros. TOTEM permite estudiar sucesos con una pseudorapidez mucho mayor que CMS (y que ATLAS); en concreto, en T1 con 3,1 < η < 4,7 y en T2 con 5,3 < η < 6,5; hay que destacar que aunque LHCb también tiene una pseudorapidez grande, 2 < η < 4,5, el subdetector T2 la supera con creces. 

Gracias a la combinación CMS+TOTEM se podrá estudiar si existe alguna correlación significativa en las colisiones pPb en la dirección hacia adelante de los protones. Por supuesto, hay que compartir el mismo sistema de disparo (trigger), que determina cuándo se almacena un suceso, algo que no ha sido fácil. Como siempre, la primera vez que se hace algo hay que superar ciertas dificultades, pero también pueden aparecer sorpresas inesperadas en los análisis de los resultados. 

Dibujo20130121 atlas lhc cern - jan 21 - pPb collision

Por supuesto, ALICE (A Large Ion Collider Experiment) el experimento por excelencia del LHC para estudiar iones pesados también estudiará las colisiones pPb. Esta imagen muestra uno de los primeros sucesos pPb observado por ALICE en 2013. Tanto ALICE, como ATLAS y LHCb tienen activado el detector interno para el seguimiento de trayectorias de partículas cargadas (el que ha sido apagado en CMS).

Uno de los fenómenos más interesantes que serán estudiados en las colisiones pPb es el “ridge” que aún no tiene una explicación definitiva. Más información en “ATLAS confirma la observación de CMS del “ridge” en las colisiones protón-plomo” y “Un fenómeno sin explicación observado en las colisiones de protón contra ión de plomo en CMS del LHC.”

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4 pensamientos en “Se inician las colisiones protón-plomo en el LHC del CERN

  1. Creo que el interés del experimento ALICE con iones de plomo se debe a que trata de crear las condiciones que se cree que se dieron en el estadio inicial del Big-Bang, cuando la temperatura supera 100 000 veces la del interior del Sol. Se espera que en tal caso los protones y neutrones “liberen” en cierto modo el plasma de quarks y gluones. No creo que se espere detectar quarks libres, pero es posible que puedan revelarse los detalles de la evolución del plasma a medida que se enfríe y surjan de nuevo partículas del mismo. Más que interesante.

  2. Bueno pues este año y el que viene el LHC estará parado, sin embargo los físicos de partículas van a tener mucho trabajo escudriñando toda la cantidad de datos gravados en disco buscando cualquier indicio de nueva física. La lista de posibilidades es grande: violaciones de simetrías,SUSY,preones,resonancias de dimensiones ocultas,GUTs,etc aunque desgraciadamente de momento brillan por su ausencia. El maldito “escenario pesadilla” amenaza con acabar con nuestras esperanzas de poder encontrar algo nuevo pero hay que ser optimistas, la nueva física podría estar oculta en la gran cantidad de datos que ya tenemos (quizás el famoso exceso de difotones) o quizás surja nada más empezar a gravar colisiones a 13TeV. Por otro lado Planck y los experimentos para detectar la materia oscura publicarán resultados en breve… la ciencia jamás descansa y lo que si es cierto es que conoceremos todo lo que se pueda conocer (aunque desgraciadamente un enorme porcentaje de la población seguirá con los conocimientos que se tenían hace más de 100 años exceptuando quizás el manejo de 4 electrodomésticos,el móvil y el “whatsapp”).

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