Los experimentos de ATLAS y CMS en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) han realizado mediciones de luminosidad con una precisión espectacular. Un informe de física reciente de CMS complementa los resultados anteriores de ATLAS y muestra que al combinar múltiples métodos, ambos experimentos han alcanzado una precisión superior al 2%. Para análisis físicos, como búsquedas de nuevas partículas, Procesos raros o mediciones de las propiedades de partículas conocidas:no solo es importante que los aceleradores aumenten la luminosidad, pero también para que los físicos lo comprendan con la mayor precisión posible.

La luminosidad es uno de los parámetros fundamentales para medir el rendimiento de un acelerador. En el LHC, los haces circulantes de protones no son haces continuos sino que están agrupados en paquetes, o "racimos, "de aproximadamente 100 mil millones de protones. Estos racimos chocan con los racimos que se aproximan 40 millones de veces por segundo en los puntos de interacción dentro de los detectores de partículas. Pero cuando dos de esos racimos se atraviesan, solo unos pocos protones de cada grupo terminan interactuando con los protones que circulan en la dirección opuesta. La luminosidad es una medida del número de estas interacciones. Dos aspectos principales de la luminosidad son la luminosidad instantánea, describir el número de colisiones que ocurren en una unidad de tiempo (por ejemplo, cada segundo), y luminosidad integrada, medir el número total de colisiones producidas durante un período de tiempo.

La luminosidad integrada generalmente se expresa en unidades de "femtobarns inversos" (fb ^-1 ). Un femtobarn es una unidad de sección transversal, una medida de la probabilidad de que ocurra un proceso en una interacción de partículas. Esto se ilustra mejor con un ejemplo:la sección transversal total para la producción del bosón de Higgs en colisiones protón-protón a 13 TeV en el LHC es del orden de 6000 fb. Esto significa que cada vez que el LHC entrega 1 fb ^-1 de luminosidad integrada, aproximadamente 6000 fb x 1 fb ^-1 =Se producen 6000 bosones de Higgs.

Conocer la luminosidad integrada permite a los físicos comparar observaciones con predicciones y simulaciones teóricas. Por ejemplo, Los físicos pueden buscar partículas de materia oscura que escapen de las colisiones sin ser detectadas al observar las energías y los momentos de todas las partículas producidas en una colisión. Si hay un desequilibrio, podría ser causado por un no detectado, potencialmente materia oscura, partícula que lleva la energía. Este es un método poderoso para buscar una gran clase de nuevos fenómenos, pero tiene que tener en cuenta muchos efectos, como los neutrinos producidos en las colisiones. Los neutrinos también escapan sin ser detectados y dejan un desequilibrio energético, entonces en principio, son indistinguibles de los nuevos fenómenos. Para ver si se ha producido algo inesperado, los físicos tienen que fijarse en los números.

Entonces, si 11000 eventos muestran un desequilibrio energético, y las simulaciones predicen 10000 eventos que contienen neutrinos, esto podría ser significativo. Pero si los físicos solo conocen la luminosidad con una precisión del 10%, fácilmente podrían haber tenido 11000 eventos de neutrinos, pero hubo solo un 10% más de colisiones de lo que se suponía. Claramente, una determinación precisa de la luminosidad es fundamental.

También hay tipos de análisis que dependen mucho menos del conocimiento absoluto del número de colisiones. Por ejemplo, en mediciones de proporciones de diferentes desintegraciones de partículas, como la reciente medición de LHCb. Aquí, las incertidumbres en la luminosidad se cancelan en los cálculos de la relación. Otras búsquedas de nuevas partículas buscan picos en la distribución de masa y, por lo tanto, se basan más en la forma de la distribución observada y menos en el número absoluto de eventos. Pero estos también necesitan conocer la luminosidad para cualquier tipo de interpretación de los resultados.

Por último, cuanto mayor sea la precisión de la medición de la luminosidad, cuantos más físicos puedan comprender sus observaciones y ahondar en rincones ocultos más allá de nuestro conocimiento actual.