El pequeño experimento LHCf es la contribución del LHC a la física de los rayos cósmicos de alta energía (entre 10 y 100 EeV). Las colisiones protón contra protón en el LHC a 13 TeV en el centro de masas equivalen a colisiones a unos 0,1 EeV en el sistema de referencia del laboratorio (para partículas de gran pseudorrapidez, dirigidas en la dirección hacia adelante). LHCf es un experimento que mide el espectro de partículas neutras (piones y neutrones) producidas en la dirección hacia adelante (forward). Las medidas se realizan en periodos cortos de tiempo durante la fase de preparación del LHC en la que la luminosidad instantánea es baja (menor de 1030 /cm²/s).
La mayoría de los rayos cósmicos son protones y núcleos pesados (Fe) según AGASA, HiRes y Auger. La física estudiada por LHCf permite estudiar los modos de producción de estos rayos cósmicos con energías de hasta 0,1 EeV. Más información en The LHCf Collaboration, “The LHCf detector at the CERN Large Hadron Collider,” Journal of Instrumentation 3: S08006, Aug 2008, doi: 10.1088/1748-0221/3/08/S08006 [acceso gratuito], y T. Sako et al., “Performance of the prototype detector for the LHCf experiment,” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 578: 146-159, Jul 2007, doi: 10.1016/j.nima.2007.05.267.
El LHC cuenta con absorbentes de partículas neutras (Target Neutral Absorber o TAN) situados a unos ±140 metros de los puntos de interacción IP1 (donde está ATLAS) e IP5 (donde está CMS). Este sistema protege a los dipolos superconductores de las partículas neutras residuales que provienen de los puntos de colisión (IP); las partículas cargadas residuales son desviadas por unos imanes específicos.
En la pareja de TAN que rodean el punto IP1 se ha colocado el detector LHCf, lo que le permite observar partículas con una pseudorrapidez entre 8,4 e infinito (es decir, ángulos casi paralelos a la dirección del tubo/túnel del LHC).
El experimento LHCf es el más pequeño de los seis del LHC. Está formado por dos detectores independientes insertados en los instrumentos TAN, entre los dos tubos de aceleración de protones en el LHC.
Estos calorímetros tienen 30 cm de longitud y están formados por plásticos centelleadores.
Tienen una resolución en energía del 5% y una resolución en posición de 0,2 mm.
Para la física estudiada por LHCf bastan unas horas de toma de datos. Esta semana se está realizando varias inyecciones (fills) a baja luminosidad para física en LHCf. La semana próxima se quitarán los detectores de LHCf para evitar que se dañen cuando la luminosidad crezca por encima de 1030 /cm²/s. suficientes para tener una estadística que permita considerar la validez de esos modelos.
Ayer (10 de junio) se realizaron cuatro inyecciones de protones para física en LHCf (llamadas LHCf physics fill#2 a fill#5). Más información en “Daily beam commissioning meeting. Week 24 – June 11th, 2015,” Slides PDF (web LHC morning meetings).
Ahora mismo está corriendo el LHCf Physics Fill#5, que lleva 06:30 horas, como puedes ver en esta figura.
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