Los futuros experimentos en el Large Hadron Collider (LHC) del

CERN

Lluís Garrido garrido@ub.edu

Universidad de Barcelona

5-Nov-2004Conmemoración del 50 aniversario del CERN en la Societat Catalana de Física

2

Large Hadron Collider

Large Hadron Collider

LHC: 10.000 científicos

1.000 institutos

100 paises

@CERN (Ginebra)

9 km

3

LEP (acelerador e-e+ a 0.1 TeV) ha permitido comprobar el Modelo Standard (fuerzas electrodébil y fuerte, 6 tipos de quarks i 6 leptones) con tanta precisión que las medidas son sensibles a fenómenos que pasan a energías superiores.

Todas las evidencias indican que nueva física i respuestas a algunas de les actuales preguntas más relevantes, las encontraremos en el entorno del TeV.

Razones para la construcción del LHC

protón protón

1 TeV es del orden de la energía cinética de un mosquito volando, pero recordemos que el diámetro

de un protón es de 1.66x10-15 m

TeV TeV

TeV

4

Experimentos

AliceCMS

LHCb Atlas

5

LHC (en grandes números)Parámetros (protones):• Energía: 7 TeV •Campo magnético (dipolo) para 7 TeV: 8.3 T•3*1014 Protones / haz (agrupados en 3000 bunches)•Corriente: 0.56 A•Luminosidad: 1034 cm2/s

a 40 km/h

En el caso de un quench (energía necesaria =107 protones de 7 TeV) la energía almacenada deberá extraerse de manera controlada para evitar daños.

Imanes superconductores. Criogenia: 12 millones de litros de nitrógeno líquido se vaporizaran durante el enfriamiento inicial de 31000 toneladas de material i posteriormente 700000 litros de helio líquido seran necesarios para mantenerlo por debajo de 2K.

Energía almacenada:Energía en los dos haces: 0.7 GJ 50 toneladas a 600 km/h

Energía en los imanes: 10.4 GJ

Total:11 GJ

6

Experimentos del LHC de propósito general: ATLAS i CMS (I)

•Origen de les masas : Higgs boson

El modelo Standard propone la existencia de un nuevo campo llamado el campo de Higgs. Las partículas adquieren masa interactuando con este campo y como más fuerte sea dicha interacción, más masivas son.

Ello implica la existencia de una nueva partícula: el bosón de Higgs. La teoría no predice su masa, pero sí su ritmo de producción y su modos de desintegración en función de la masa.

ATLAS i CMS están optimizados para descubrir el Higgs en el rango esperado de su masa: 0.1 TeV< MH < 1 TeV

Medidas de precisión de parámetros del Modelo Standard

top, beauty, tau, QCD, ...

Modelo Standard

7

Experimentos del LHC de propósito general: ATLAS i CMS (II)

Las siguientes afirmaciones son habituales:• El LHC descubrirá el Higgs;• El LHC descubrirá supersimetría a bajas energías, si existe. ( La primera es prácticamente cierta, la segunda es parcialmente cierta)

Más allá del Modelo Standard

•T.O.E. (Theories of Everything) Intentan unificar les interacciones conocidas, incluyendo la gravedad, alrededor de 1019 GeV.Una TOE popular son las cuerdas, que sugieren que todas les partículas observadas son vibraciones de supercuerdas de unos 10-33 cmEstas TOEs requieren de la existencia de dimensiones extras que todavía no se han observado.

•Teorías de gran unificaciónPretenden unificar les interacciones conocidas, sin incluir la gravedad, alrededor de 1014 GeV

•SupersimetríaEs una simetría propuesta entre bosones i fermiones. Cada partícula conocida tiene su compañero supersimétrico. Una de ellas (el “neutralino”) podría explicar la materia oscura del universo.

8

LHCb: experimento dedicado al estudio de la violación de CP

¿Por qué razón no hi ha antimateria en el Universo?

Argumentos de Sakharov: •Desintegración del protón •No equilibrio (Big Bang)• Violación de CP (C=cambio de partícula-antipartícula), P=Paridad= r -> -r)

Violación de CP es una de las claves

0000 // ss KJBKJBNN

La idea es estudiar procesos y compararlos con su CP

Indica violación de CP

9

experimento dedicado a iones pesados

Física de les interacciones fuertes entre materia a densidades de energía extremas

Los quarks y gluones que hoy en día están confinados dentro de protones y neutrones, en densidades extremas de energía estarán demasiado calientes para mantenerse juntos. Este nuevo estado de la materia se conoce como Quark Gluon Plasma, QGP

Evidencias:•Producción de J/Psi (c cbar) disminuye debido a que les condiciones tumultuosas privan que el c i el cbar queden ligados. •Saldrán más parejas d’electrons •Saldrán más partículas con quarks extraños.

5.5TeV/ns

10

Adquisición de datos

1

42

10

105102

partículas

Partículas interesantes

1:1012 sucesos interesantes

1:1012

1:1012

(nota: alta radiación 100 Gy)

11

Adquisición de datos

Data Recording,

Data Recording,

Reconstruction,

Reconstruction,&&Offline Analysis

Offline Analysis(1 PB = 103 TB = 106 GB)

Level 1 - Special HardwareLevel 2 - Embedded Processors

40 MHz

40 MHz (1000 TB/sec)

(1000 TB/sec)

Level 3 – Farm of commodity CPUs

75 KHz 75 KHz (75 GB/sec)

(75 GB/sec)5 KHz5 KHz (5 GB/sec)

(5 GB/sec)100 Hz 100 Hz (100

(100 MB/sec)MB/sec)

100 MB/sec ~ 2 Petabytes/year

La solución:

Europe: 300 institutes, 5000 usersElsewhere: 200 institutes, 2000 users

Planetary computing

El GRID: para procesar todos los datos que se generaran en LHC se necesitará un red mundial de más

de 200000 pc’s

12

Participación en el LHC

ATLASIFAE (Barcelona)CNM (Barcelona)

CMS LHCb

UB (Barcelona)

IFIC (Valencia)UAM (Madrid)

USC (Santiago)

CIEMAT (Madrid)IFCA (Santander)

13

•¿Origen de la masa de les partículas? (¿el Higgs?)

•¿Por qué hay tres tipos de quarks y leptons de cada carga?

•¿Hay un patrón en sus masas?

•¿Hay más tipos de partículas y fuerzas que serán descubiertas a más altas energías (supersimetría?)?

•¿Son los quarks y leptons fundamentales o son compuestos?

•¿Que partículas forman la materia oscura?

•¿Como podemos incluir la interacción gravitatoria en el Modelo Standard actual?

Preguntas que podrían tener respuesta a partir del 2007