Incluso en los días más calurosos y secos, los rayos del sol son demasiado débiles para encender un fuego. Pero con una lupa (o, en algunos casos desafortunados, un adorno de vidrio para jardín), puede enfocar la luz del sol en un rayo lo suficientemente brillante como para prender fuego a la yesca.

En el Gran Colisionador de Hadrones, los científicos aplican este mismo principio al enfocar haces de protones (o, a veces, iones pesados) antes de pasarlos por los cuatro puntos de colisión del acelerador. Las colisiones de partículas de alta energía permiten a los científicos estudiar las leyes fundamentales de la física y buscar nuevas partículas. campos y fuerzas.

Al enfocar con precisión los haces de protones justo antes de chocar con ellos, los científicos pueden aumentar rápidamente el número de eventos de colisión que tienen que estudiar.

Científicos, ingenieros y técnicos en el CERN y en todo el mundo, incluso en el Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi, Laboratorio Nacional Brookhaven y Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, juntos como parte del programa de actualización del acelerador LHC de alta luminosidad de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU., están construyendo nuevos imanes de enfoque, que comprimirá los protones en colisión en volúmenes aún más pequeños. También están diseñando nuevos imanes pateadores, que golpeará las trayectorias de las partículas entrantes para ayudar a que los dos haces se encuentren cara a cara en el punto de colisión.

A finales de la década de 2020, Los científicos encenderán un LHC de alta luminosidad turbocargado. La actualización aumentará el número total de posibles colisiones que los científicos deben estudiar en al menos un factor de 10.

¿Por qué luminosidad y no colisiones?

Como habrás notado, cuando los físicos hablan de colisiones de partículas, hablan de una medida llamada luminosidad. No les dice a los científicos exactamente cuántas colisiones de partículas están ocurriendo dentro de un colisionador; bastante, la luminosidad mide qué tan apretadas están las partículas en los rayos que se cruzan. Cuanto más apretado es el apretón, más probable es que algunas de las partículas choquen.

En el HL-LHC, Se espera que 220 mil millones de protones pasen a través de otros 220 mil millones de protones cada 25 nanosegundos en las cuatro intersecciones experimentales del acelerador. Pero la gran mayoría de los protones no interactuarán entre sí. Incluso con la mejor tecnología de enfoque de haz actual, las probabilidades de que un protón choque con otro protón dentro del anillo del LHC siguen siendo significativamente menores que las probabilidades de ganar el premio mayor de Mega Millions.

Los protones no son orbes sólidos que rebotan, romperse o romperse cuando entran en contacto entre sí. Bastante, son paquetes desordenados de campos e incluso partículas más pequeñas llamadas quarks.

Dos protones podrían atravesarse uno al otro, y existe la posibilidad de que todo lo que hagan sea reproducir esa escena de la película Ghost en la que el actor Patrick Swayze, jugando el fantasma titular, mete su etérea cabeza en un tren en movimiento, sin ningún efecto. Puedes llevar los protones a una colisión frontal, pero no puedes hacer que interactúen.

Incluso si dos protones interactúan, ¿cuenta como una colisión? Si dos protones se cruzan y la onda de choque de sus campos electromagnéticos que se cruzan expulsa algunos fotones, ¿Eso cuenta? ¿Qué pasa si uno de estos fotones perdidos atraviesa el corazón de otro protón? ¿Qué pasa si dos protones se rozan y disparan un montón de partículas? pero permanecer intacto?

Las colisiones son complicadas. Entonces, los físicos hablan de luminosidad en su lugar.

Tasa de colisión

La velocidad a la que las partículas se juntan para colisionar se denomina "luminosidad instantánea".

"La luminosidad instantánea depende del número de partículas en cada haz que colisiona y del área de los haces, "dice Paul Lujan, un postdoctorado en la Universidad de Canterbury que trabaja en mediciones de luminosidad para el experimento CMS. "Un tamaño de haz más pequeño significa más colisiones potenciales por segundo".

En 2017, Los físicos del LHC lograron un nuevo récord cuando midieron una luminosidad instantánea de 2.06 x 10 ³⁴ por centímetro cuadrado por segundo. (Multiplica el número de protones en cada haz, luego divida por el área del haz (en centímetros cuadrados) a lo largo del tiempo).

"Las unidades de luminosidad son un poco intuitivas, "Lujan dice, "pero nos da exactamente la información que necesitamos".

Cuando los científicos cargan el LHC con un nuevo lote de partículas para colisionar, los mantienen en funcionamiento siempre que los rayos estén en buenas condiciones con suficientes partículas restantes para tener una buena luminosidad instantánea.

Considerando que un llenado promedio de LHC dura entre 10 y 20 horas, el número de posibles colisiones puede aumentar muy rápidamente. De modo que a los científicos no solo les importa la luminosidad instantánea; también se preocupan por la "luminosidad integrada, "cuántas colisiones potenciales se acumulan durante esas horas de funcionamiento.

No pude golpear el lado ancho de la puerta de un granero

La diferencia entre luminosidad instantánea y luminosidad integrada es la diferencia entre, "Ahora mismo conduzco a 60 millas por hora, "y" Más de diez horas, Manejé 600 millas ".

Para una luminosidad integrada, Los físicos cambian de centímetros cuadrados a una nueva unidad de área:el granero, una referencia al idioma, "No podría golpear el lado ancho de un granero". Desde el punto de vista de una partícula subatómica, "el granero" es tan enorme que sería difícil pasarlo por alto.

El granero se inventó durante la década de 1940. Su tamaño real, de 10 a 24 centímetros cuadrados, se clasificó hasta el final de la Segunda Guerra Mundial. Eso es porque es equivalente al tamaño de un núcleo de uranio, un ingrediente clave en la bomba atómica entonces recién desarrollada.

El granero se mantuvo después de la guerra y se convirtió en una forma estándar de medir el área en física nuclear y de partículas.

Hablando en graneros, y una unidad aún más pequeña igual a 10 ^-15 graneros llamados "femtobarn":permite a los físicos tomar un número enorme y convertirlo, convirtiéndolo de algo demasiado largo para escribir en el costado de un granero real en algo que podría caber en una postal.

Los físicos también usan femtobarns para medir la probabilidad de un proceso subatómico, llamado su "sección transversal".

"Imagina una pelea de comida en una cafetería, ", Dice Lujan." Podemos predecir la cantidad de personas que salpicarán con una albóndiga perdida [una "interacción de albóndiga, "si lo desea] basado en el número de personas presentes, el área y dimensiones de la cafetería, cuánto dura la pelea de alimentos [que se puede usar para calcular la "luminosidad integrada" de todas las interacciones posibles, incluidas las interacciones de las albóndigas], así como la probabilidad de ese proceso en particular [la "sección transversal" de una interacción de las albóndigas] ".

Para probar las leyes de la física, los físicos comparan sus predicciones sobre la probabilidad de ciertos procesos con lo que realmente ven en la práctica.

Con la actualización HL-LHC, los científicos están aumentando el número de protones, disminuir el diámetro de los puntos de colisión, y alinear mejor las trayectorias de los protones. Todos estos cambios ayudan a aumentar la probabilidad de que los protones interactúen entre sí cuando cruzan las intersecciones del LHC. El mayor número de oportunidades de colisión ayudará a los físicos a encontrar y estudiar procesos y partículas raras que son clave para comprender las leyes fundamentales de la física.