Hvorfor målinger af præcisionslysstyrke betyder noget

ATLAS- og CMS -eksperimenterne på Large Hadron Collider (LHC) har udført lysmålinger med spektakulær præcision. En nylig fysik briefing fra CMS supplerer tidligere ATLAS -resultater og viser, at ved at kombinere flere metoder, begge forsøg har nået en præcision bedre end 2%. Til fysikanalyser - f.eks. Søgninger efter nye partikler, sjældne processer eller målinger af kendte partiklers egenskaber - det er ikke kun vigtigt for acceleratorer at øge lysstyrken, men også for fysikere at forstå det med den bedst mulige præcision.

Lysstyrke er en af ​​de grundlæggende parametre til måling af acceleratorens ydeevne. I LHC, de cirkulerende stråler af protoner er ikke kontinuerlige stråler, men grupperes i pakker, eller "klaser, "på omkring 100 milliarder protoner. Disse bunter kolliderer med modkørende bunker 40 millioner gange i sekundet ved interaktionspunkterne i partikeldetektorer. Men når to sådanne bunker passerer gennem hinanden, kun få protoner fra hver flok ender med at interagere med protonerne, der cirkulerer i den modsatte retning. Lysstyrke er et mål for antallet af disse interaktioner. To hovedaspekter ved lysstyrke er øjeblikkelig lysstyrke, beskriver antallet af kollisioner, der sker i en tidsenhed (f.eks. hvert sekund), og integreret lysstyrke, måling af det samlede antal kollisioner, der er produceret over en periode.

Integreret lysstyrke udtrykkes normalt i enheder af "inverse femtobarns" (fb ^-1 ). Et femtobarn er en enhed af tværsnit, et mål for sandsynligheden for, at en proces forekommer i en partikelinteraktion. Dette illustreres bedst med et eksempel:det samlede tværsnit for Higgs-bosonproduktion ved proton-protonkollisioner ved 13 TeV ved LHC er af størrelsesordenen 6000 fb. Det betyder, at hver gang LHC leverer 1 fb ^-1 integreret lysstyrke, omkring 6000 fb x 1 fb ^-1 =6000 Higgs bosoner produceres.

At kende den integrerede lysstyrke gør det muligt for fysikere at sammenligne observationer med teoretiske forudsigelser og simuleringer. For eksempel, fysikere kan lede efter partikler af mørkt stof, der undslipper kollisioner uopdaget ved at se på energier og momenta for alle partikler, der produceres i en kollision. Hvis der er en ubalance, det kan være forårsaget af en uopdaget, potentielt mørkt stof, partikler, der transporterer energi væk. Dette er en kraftfuld metode til at søge efter en stor klasse af nye fænomener, men det skal tage højde for mange effekter, såsom neutrinoer produceret i kollisionerne. Neutrinoer undslipper også uopdaget og efterlader en energibalance, så i princippet, de kan ikke skelnes fra de nye fænomener. For at se, om der er produceret noget uventet, fysikere skal se på tallene.

Så hvis 11000 begivenheder viser en energibalance, og simuleringerne forudsiger 10000 hændelser, der indeholder neutrinoer, dette kan være væsentligt. Men hvis fysikere kun kender lysstyrken med en præcision på 10%, de kunne let have haft 11000 neutrino -begivenheder, men der var bare 10% flere kollisioner end antaget. Klart, en præcis bestemmelse af lysstyrken er kritisk.

Der findes også typer af analyser, der afhænger meget mindre af absolut viden om antallet af kollisioner. For eksempel, i målinger af forholdet mellem forskellige partikelforfald, såsom den nylige LHCb -måling. Her, usikkerheder i lysstyrken bliver annulleret i forholdsberegningerne. Andre søgninger efter nye partikler leder efter toppe i massedistribution og stoler derfor mere på formen af ​​den observerede fordeling og mindre på det absolutte antal hændelser. Men disse skal også kende lysstyrken for enhver form for fortolkning af resultaterne.

Ultimativt, jo større præcision af lysmåling, jo flere fysikere kan forstå deres observationer og dykke ned i skjulte hjørner ud over vores nuværende viden.