¿Por qué el LHC no acelera los electrones?

Cada vez que aceleras una partícula cargada, emite radiación EM conocida como Bremsstrahlung , y obviamente las partículas cargadas que se mueven en círculo están acelerando (hacia el centro). Esto significa que cualquier colisionador circular emite un flujo continuo de radiación Bremsstrahlung. Para contrarrestar la pérdida de energía por Bremsstrahlung hay que poner energía, y eso cuesta dinero y molesta a las compañías eléctricas locales.

Para una energía de haz dada, las pérdidas de Bremsstrahlung aumentan con la disminución de la masa de partículas, por lo que cuesta mucho más hacer funcionar un colisionador de electrones que hacer funcionar un colisionador de protones de la misma energía y corriente de haz. El colisionador LEP, con una energía máxima de alrededor de 200GeV, consume alrededor de 70MW cuando está en funcionamiento, mientras que el LHC, con una energía de haz mucho más alta, solo consume alrededor de 120MW. Estas cifras son un poco engañosas ya que incluyen los costos de enfriamiento, etc., y no solo el funcionamiento del haz. Según este artículo , la potencia necesaria para mantener el haz en el LHC es de unos 20 MW. No he podido encontrar la información correspondiente para LEP.

Todos los futuros colisionadores de electrones/positrones propuestos son lineales. Esto evita las pérdidas de Bremsstrahlung cuando dobla el haz de partículas.

La energía perdida por una partícula que da una vuelta en una máquina circular es

dónde$E$es la energía del haz,$R$es el radio de curvatura,$m$es la masa de la partícula que desea acelerar.

Resulta que para la masa de partículas pesadas como muones, protones e iones pesados, la fuerza de campo de los imanes de flexión sigue siendo el factor limitante, pero las partículas ligeras como electrones y positrones simplemente irradian demasiada energía.

El problema no es simplemente desperdiciar energía, sino cómo devolver esa energía al haz. La aceleración se realiza normalmente en secciones rectas del anillo mediante el uso de un campo eléctrico de radiofrecuencia. Si el campo no es lo suficientemente fuerte (en relación con el espacio disponible) para compensar la energía perdida en las secciones de flexión, la máquina nunca funcionará incluso con una cantidad infinita de energía disponible de la red.

Por lo tanto, se ve obligado a aumentar el radio para reducir la pérdida de energía y tener más espacio para compensarlo, pero al observar la relación anterior, ve que no puede ir demasiado lejos. Por ejemplo, TLEP planea tener un árbol de radios veces más grande que LEP, pero su energía no duplicará la de LEP y podría construirse solo en vista de una máquina de protones mucho más energética que vendrá en el futuro en el mismo túnel.

La otra forma es construir colisionadores directos como los proyectos CLIC o ILC, que sin embargo no están exentos de dificultades técnicas.

Además de la razón mencionada en las respuestas anteriores (Bremsstrahlung), hay una cosa más por la que se usa el colisionador de protones: puede escanear una amplia gama de energías de colisión.

Como los protones son partículas compuestas, sus colisiones son de hecho colisiones de quarks o gluones. Estos constituyentes tienen energías aleatorias y, por lo tanto, cada colisión normalmente tiene una energía diferente. Esto es útil cuando busca una partícula con masa desconocida (como el bosón de Higgs). Así que aplastas protones a 1,4 TeV, pero de hecho las colisiones reales están en un amplio rango de energías desde MeV a TeV. De esta forma, algunas de las colisiones estarán al nivel requerido para crear la partícula desconocida. Y recopila muchos eventos para capturar estadísticas significativas para detectar la partícula.

Por otro lado: los colisionadores de leptones chocan leptones siempre con la energía de trabajo. No puede explorar energías fuera del rango de diseño del colisionador de leptones. Por lo tanto, el acelerador de leptones es útil cuando desea concentrarse en la investigación de una sola partícula con una masa bien conocida. Sintoniza la energía con la masa de la partícula y obtiene los datos mucho más rápido. Pero tienes que saber la masa de la partícula por adelantado, lo que no fue el caso para el bosón de Higgs.

Los colisionadores de protones y protones son mucho mejores para el descubrimiento que los colisionadores de electrones y positrones. La razón es que se desconoce la masa de una nueva partícula y la probabilidad de producción se asoma alrededor de este centro de energía de masa en los diversos canales de producción hipotéticos. En términos generales, los quarks en un protón obtienen partes fraccionarias de la energía de colisión total, por lo que un colisionador de protones y antiprotones es mejor para "escanear" un rango de masas en busca de una nueva partícula con energía de haz constante. Mientras que la energía del haz de un colisionador de electrones y positrones tendría que ajustarse cuidadosamente.

Además, en el caso del bosón de Higgs, los canales más adecuados para el descubrimiento incluían gluones, que se producen en colisiones de quarks. Por ejemplo, una de las colisiones que conducen al descubrimiento se representa mediante los siguientes diagramas, donde$H^0$denota el bosón de Higgs,$t,b$son los quarks top y bottom, que se acoplan al campo de Higgs y$g$denota gluones, que transportan la fuerza fuerte y, por lo tanto, también se acoplan a$t$y$b$. En el primer diagrama la señal eran dos fotones$\gamma$con una energía combinada de aproximadamente 125 GeV en el segundo caso dos pares de leptones anti-leptones:

Para estudiar las propiedades de una partícula recién descubierta, es mejor usar un colisionador de electrones, que luego se ajusta al pico de probabilidad de producción de estas partículas. Por ejemplo, el colisionador LEP funcionó en el pico Z para realizar mediciones de precisión electrodébiles. Editar: mpv me ganó en esta respuesta.