El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN volverá a arrancar en modo colisiones el lunes 23 de marzo de 2015 (planificación oficial a fecha 19 de febrero de 2015).
Tras su primera parada larga (LS1) en 2013 y 2014, funcionará con colisiones protón contra protón a una energía de 13 TeV c.m. (en 2012 funcionó a 8 TeV c.m.).
Se han realizado gran número de mejoras en el colisionador, pero no se espera usar la energía máxima posible (14 TeV c.m.) ni en 2015, ni en 2016. Si todo fuera a las mil maravillas, quizás se use en 2017, pero ahora mismo aún no se sabe. Aún así, está planificado que haya pruebas a 14 TeV c.m. a principios de 2018, previas a la parada larga LS2 anterior al Run III que se debería iniciar en 2020.
Entre 2010 y 2012, el Run 1 del LHC ha acumulado unos 25 /fb de colisiones por experimento (ATLAS y CMS). Entre 2015 y 2018, el Run 2 del LHC debería acumular unos 150 /fb. Este año 2015 sólo se esperan alcanzar unos 15 /fb de colisiones a 13 TeV c.m., lo que no está nada mal.
El objetivo del Run II es duplicar la luminosidad instantánea.
Recuerda que la luminosidad (L) mide el número de colisiones que se producen en un detector por unidad de área y por segundo.
Los protones se inyectan en paquetes (bunches) porque intentar colisionar un solo protón contra un solo protón es imposible; en el LHC se colisiona un paquete contra otro paquete.
El número de protones por paquete se llama N. Los paquetes se inyectan uno a uno, separados por un intervalo de tiempo t (medido en ns).
La luminosidad instantánea es L = N²/(t Sef) donde Sef es la sección eficaz efectiva de colisión entre paquetes (se mide en cm²). Un valor típico puede ser Sef = 4 π σ² con σ=16 μm (tamaño transversal de la sección del paquete en el punto de interacción).
Para 0,1 billones de protones por paquete, separados 25 ns y con dicha sección efectiva se tiene L ~ 1034 /cm²/s. Más información en Xabier Cid Vidal y Ramón Cid, “Luminosidad,” Acercándonos al LHC.
La luminosidad integrada se mide en inversos de femtobarn (1 /fb) y se calcula sumando (integrando) la luminosidad alcanzada durante todo el tiempo que el LHC esté en modo colisiones.
La unidad parece fea, para la probabilidad de producción/desintegración de una partícula se mide en barns (milibarns, picobarns, etc.).
Multiplicando ambas se obtiene una estimación del número de partículas de un tipo concreto que se pueden llegar a observar en los detectores.
En la figura de arriba se indica que a finales de agosto se pasará de β*=80 cm a β*=40 cm.
El valor de la llamada función de amplitud β* es la anchura del haz dividida por la emitancia transversal ε y se mide con centímetros como la distancia a la que el haz reduce a la mitad su sección transversal al ser enfocado.
Si el valor de β* es bajo el haz es más estrecho y compactado ().
Por cierto, la emitancia ε está relacionada con el tamaño de la sección transversal del haz. Más información en español en Xabier Cid Vidal y Ramón Cid, “Beta y emitancia,” Acercándonos al LHC.
Durante el LHC Run I se ha trabajado con 20 millones de colisiones por segundo (20 MHz); se inyectaron los paquetes separados t = 50 ns (nanosegundos).
Durante el LHC Run II el objetivo es trabajar con 40 MHz separando los paquetes a t = 25 ns.
Pero como hay que arrancar la máquina poco a poco, la luminosidad irá creciendo este año poco a poco durante los meses de marzo a mayo.
En junio se empezará con 50 ns, acumulando menos de 1 /fb de colisiones por detector. Entre julio y agosto se pasará a 25 ns, acumulando unos 3 /fb de colisiones por detector. Y finalmente entre septiembre y octubre se acumularán unos 12 /fb también a 25 ns.
En noviembre se pasará a modo colisiones de iones pesados.
¿Qué mejoras se han introducido en el LHC entre 2013 y 2014?
Nos las resumen en “LHC Season 2: A stronger machine,” CERN Press Office. (1) Se han reemplazado 18 imanes superconductores de los 1232 que posee el LHC. (2) Se han reemplazado más de 10000 interconecciones eléctricas que actúan como fusibles de protección (recuerda que falló uno en septiembre de 2008). (3) Se ha mejorado el sistema de protección que conecta la parte superconductora con la parte eléctrica de alta potencia convencional.
Ahora el LHC es mucho más seguro a alta energía, por ello, (4) se usará una energía de 6,5 TeV por haz de protones, lo que permitirá alcanzar 13 TeV en el punto de colisión.
Además, se duplicará la luminosidad usando (5) paquetes de protones más estrechos e (6) inyectando menos protones por paquete (0,12 billones en 2015 en lugar de 0,17 billones en 2012), pero separados unos 25 ns en lugar de 50 ns.
El objetivo de reducir el número de protones por paquete es reducir el apilado (pileup) de colisiones; como colisión paquetes no se puede evitar que en cada colisión haya muchos protones que colisionen entre sí (en 2012 era habitual un apilado de 25 y en 2015 será habitual uno de 50).
También se ha mejorado (7) el sistema de alto voltaje en las cavidades de radiofrecuencia, (8) el sistema de criogenia que mantiene a baja temperatura los imanes superconductores, (9) la resistencia a la radiación de la electrónica en el anillo y (10) la calidad del sistema de vacío (parar tratar de evitar los famosos UFOs).
Gran número de mejoras que adelantan un Run II repleto de éxitos.
La prioridad es estudiar en más detalle el modelo estándar a mayor energía. En el Run I se ha podido estudiar hasta una energía de unos 3 TeV y en el Run II se alcanzarán los 5 TeV.
Soñar con nuevas partículas o con nueva física más allá del modelo estándar no está mal, pero no es realista.
Salvo que una serendipia se cruce en nuestro camino, todo apunta a que no habrá un gran descubrimiento en el Run II.
Por supuesto, espero equivocarme.
