Por qué el LHC del CERN se diseñó para colisionar dos haces de protones de 7 TeV

Los protones son partículas compuestas de quarks y gluones (protones).

Cuando dos protones colisionan entre sí en realidad colisionan los quarks y gluones que los constituyen. La energía de cada quark es aproximadamente 1/6 de la energía total del protón.

Si queremos colisiones de dos quarks cada uno con 1 TeV debemos usar protones con una energía como mínimo de 6 TeV. Por si acaso, se decidió diseñar el LHC para colisionar protones con una energía un poco mayor, 7 TeV.

Por ello, a máxima energía, en el LHC del CERN se colisionarán protones contra protones con una energía en el centro de masas de 14 TeV, lo que significa que en realidad colisionarán protones (quark-quark, gluón-gluón) con una energía en el centro de masas menor de 2’33 TeV, en el mejor caso.

En la práctica la mayoría de las colisiones de protones tendrán una energía del orden de 1 TeV en el centro de masas. Por qué conformarse con colisiones de protones hasta de 1 TeV.

Porque el objetivo fundamental del LHC del CERN es estudiar en detalle la escala de la ruptura espontánea de la simetría electrodébil, es decir, energías hasta 1 TeV (y un poco mayores).

Como en las colisiones protón-protón en realidad colisionan los protones (quarks y gluones), no importa si colisionan protones contra protones o protones contra antiprotones, siendo la primera opción mucho más barata. La figura muestra una colisión típica en el LHC que produzca un bosón de Higgs, pp → qq → WW→ H → ZZ, donde la colisión protón-protón, en realidad es un colisión quark-quark, que en realidad es una colisión entre bosones W, que produce un Higgs que se desintegra en un par de bosones Z que a su vez se desintegrarán en chorros (jets) de partículas.

En resumen, dos protones colisionan y observamos dos chorros de partículas aunque han ocurrido muchas cosas en el intríngulis.

Más detalles de carácter divulgativo sobre estos asuntos en Rohini M. Godbole, “Story of a journey: Rutherford to the Large Hadron Collider and onwards,” ArXiv, Submitted on 6 Jul 2010. Más información técnica sobre el diseño el LHC en Lyndon Evans y Philip Bryant, “LHC Machine. The CERN Large Hadron Collider: Accelerator and Experiments,” Journal of Instrumentation 3: S08001, August 2008 [165 páginas, artículo gratuito].