¿Por qué no utilizan electrones en el CERN?

Question

El extracto que sigue está sacado de un artículo web que estaba leyendo.

La potente máquina LHC acelera y dirige miles de millones de protones para colisionar con otros miles de millones de protones. El objetivo de este trabajo es responder a preguntas fundamentales para entender la Naturaleza. Pero, ¿qué es lo que realmente sucede cuando los protones colisionan?

Los protones están formados por quarks unidos por gluones, y en una colisión frontal entre dos protones son los quarks y gluones constituyentes los que colisionan.

Dentro de cada protón se encuentra un "mar" de quarks y gluones. ¿Por qué tantos? ¿No has aprendido que sólo hay 3 quarks dentro de un protón? Pues bien, decimos que un protón está formado por 3 quarks de "valencia", pero también por un montón de quarks y antiquarks "marinos" o "virtuales" procedentes de los gluones.

Cuando los protones colisionan con energías tan grandes como en el LHC, la colisión da lugar a una lluvia de todo tipo de partículas, las que de las que está hecha la materia habitual, y otras que sólo existían justo después del Big Bang.

Las nuevas partículas suelen ser mucho más pesadas que las partículas originales que colisionan originales, gracias a la relación $E=mc^2$ . Para decirlo simplemente: Toda la ¡energía que ponemos en la colisión puede salir como masa en su lugar!

Fuente: https://atlas.physicsmasterclasses.org/en/zpath_protoncollisions.htm

Creo que cuando los protones chocan entre sí su energía cinética se convierte en materia en forma de nuevas partículas subatómicas y los protones también se descomponen aunque un quark no puede existir como unidad individual. ¿Se reúnen esos quarks para formar un protón? ¿A dónde van esos quarks?

¿Por qué no utilizan electrones en lugar de protones en el CERN? Tengo entendido que un electrón es una partícula elemental, lo que significa, según los conocimientos actuales, que un electrón no está formado por más partículas básicas. Si se utilizan electrones, su enorme energía cinética también se convertiría en partículas subatómicas, aunque los propios electrones permanecerían intactos. Tal vez, el uso de electrones no produciría tantas subpartículas, ya que son casi 1850 veces menos masivos que los protones, por lo que su energía cinética sería siempre menor que la de los protones. Además de esto, podría ser posible que como los electrones no se descomponen, por alguna razón, esto también limita la creación de nuevas partículas subatómicas. ¿Podría ayudarme con esto?

Enlaces útiles:

1. Ars Technica. "¿Cómo funciona el Gran Colisionador de Hadrones? | Ars Technica" , YouTube , 16 de octubre de 2018.

2. Buscador. "Dentro del mayor acelerador de partículas del mundo" , YouTube , 18 de agosto de 2016.

Answer 1

La elección de las partículas para un colisionador depende de lo que haya que aclarar a continuación en el zoo de la física de partículas y la teoría del modelo estándar, y también depende de las dificultades que introduzcan las partículas concretas utilizadas. He aquí las actuales aceleradores en el CERN .

Crear un haz significa acelerar partículas cargadas, ya sean electrones, protones, positrones o antiprotones, y las partículas aceleradas irradian energía en forma de fotones. A energías relativistas se denomina radiación de sincrotrón. Los electrones irradian mucha más energía para alcanzar la misma energía del haz de protones, en el caso del acelerador circular , para cada vuelta la potencia,P, perdida en radiación viene dada por

donde $ρ$ es el radio, y $γ$ en función de la energía del haz $E$ se da como $γ=E/m_0·c^2$ . Por lo tanto, cuanto mayor sea la masa y el radio, menor será la potencia perdida. En el caso del acelerador lineal, la potencia perdida depende menos drásticamente de la masa, véase esto para radiación de sincrotrón.

Por tanto, es mucho más caro llevar un haz de electrones a una energía determinada que un haz de protones a esa energía. Para explorar nuevas regiones de masa, los haces de protones son mejores que los de electrones en términos de coste del experimento.

Los haces de protones y antiprotones se utilizaron en el SPS del CERN para explorar altas energías. Así se descubrieron los bosones W y Z. El siguiente acelerador fue un acelerador de electrones y positrones, LEP, diseñado específicamente para estudiar en detalle las interacciones de Z y W. La dispersión electrón-electrón no es muy eficiente a la hora de dar posibles producciones que puedan ser bien descritas teóricamente. Los electrones sobre positrones, como partículas elementales, dan eventos mucho más limpios y posibilidades de cálculo.

Después del LEP, que casi había alcanzado la masa de Higgs ahora conocida, se utilizó el mismo túnel porque los protones sobre los protones pueden tener una energía mucho mayor que los electrones y positrones en el mismo túnel circular, una economía en el gasto, y de nuevo el LHC es una máquina de exploración.

La siguiente máquina que la comunidad internacional de alta energía pretende es un colisionador lineal de electrones sobre positrones, para evitar la gran pérdida de energía de los leptones en un colisionador circular a las energías que se pretenden. De nuevo, los leptones se eligen para tener un vértice limpio de partículas elementales puntuales en los cálculos de las interacciones.

Así que se utilizaron los electrones y se utilizarán en los futuros aceleradores, junto con los positrones, para seguir explorando el régimen energético. Los electrones sobre protones seguirían teniendo las ambigüedades introducidas por la complejidad de los quarks, aunque hay experimentos que estudian específicamente dispersión de electrones y protones para estudiar el protón. El LHC tenía como objetivo estudiar las interacciones de la materia de mayor energía posible, en el momento de su construcción, por razones de exploración. El ILC explorará los detalles más finos de ese rango de energía más alto de 500 GeV a 1TeV.

Answer 2

Me gustaría añadir a la buena respuesta de Anna_v algunos detalles que me parecen importantes. La física de los colisionadores ya ha alcanzado cierta madurez, por lo que ahora se puede reconocer el papel de los diferentes tipos de colisionadores en la evolución de la física de partículas.

Los colisionadores de protones (respectivamente los colisionadores de protones y antiprotones) sirven normalmente para el descubrimiento de nuevas partículas fundamentales, mientras que los colisionadores de electrones, mejor los de electrones y positrones, sirven para realizar mediciones de precisión de las leyes de la física de partículas, es decir, del modelo estándar. Por lo tanto, el LEP (colisionador de electrones) proporcionó en gran medida la confirmación experimental del modelo estándar.

Sin embargo, ambos tipos de colisionadores tienen sus limitaciones. La principal limitación de los colisionadores de electrones y positrones es la generación de una enorme cantidad de radiación de sincrotrón que va como $\sim \gamma^4$ ( $\gamma$ es la energía (masa) $\times c^2)$ de una partícula). Por lo tanto, es difícil aumentar la energía, ya que el aumento de energía deseado se pierde en la mayoría de los casos en la radiación de sincrotrón. Los electrones/positrones pueden alcanzar fácilmente valores muy altos $\gamma = 10^5$ para electrones de 50GeV, una energía típica de los electrones/positrones en el anillo LEP. Por otro lado, para la misma energía, el protón $\gamma = 53$ por lo que la producción de radiación de sincrotrón es mucho menor. Por lo tanto, incluso con una energía de protones de 7TeV (LHC) la $\gamma = 7463$ que sigue siendo menor que la de los electrones de 50GeV. Por otro lado, sólo un parton (un quark de valencia o mar o gluon) del protón participará efectivamente en la colisión. Por lo tanto, sólo una parte de la energía proporcionada por el colisionador al protón se utilizará para la colisión. Este no es el caso del electrón o del positrón. Los otros constituyentes del protón son una especie de espectadores y, tras un proceso llamado fragmentación de hadrones, acabarán formando un enjambre de hadrones que tienen poco interés y aumentan significativamente el fondo de la medida debido a su presencia en el detector. Sin embargo, la energía de los electrones/positrones se utilizará en su totalidad en la colisión y el resultado de la misma podrá observarse en el detector con muy poco fondo, es decir, el resultado es limpio. Por eso es tan útil para las mediciones de precisión.

Los colisionadores de protones tienen una de sus limitaciones en la difícil detección de las numerosas partículas que se producen en la colisión. Pero hasta ahora los físicos de partículas experimentales han sido lo suficientemente inteligentes como para encontrar las nuevas partículas que buscaban: Ejemplos: $Z^0, W^\pm$ t(op) y H(iggs) fueron descubiertos en colisionadores de protones. El LEP (Large-Electron-positron-collider) se esforzó por encontrar el top-quark y el Higgs, pero no pudo encontrar estas partículas porque eran más pesadas de lo esperado (aumentar la energía de los electrones no era una solución viable, entre otras razones por la gran pérdida de energía debida a la radiación sincrotrón).

Mientras tanto, la evolución del colisionador avanza en alternancia: SPS (colisionador de protones), colisionador de electrones (LEP), colisionador de protones (LHC), y probablemente la próxima generación será el FCC-ee (Futuro Colisionador Circular con electrones) seguido de la versión hadrón/protrón FCC-hh. El FCC-ee tendrá una circunferencia de 97km comparado con los 27km del LEP/LHC, por lo que la cantidad de radiación sincrotrón, en particular de electrones/positrones, se reducirá parcialmente por una circunferencia mayor. El FCC-ee servirá para medir con precisión el Higgs y su inusual potencial, con el fin de comprobar si la partícula encontrada en 2012 es realmente un Higgs del modelo estándar (o para explicar las mediciones es necesaria nueva física, por ejemplo la Supersimetría). El FCC-hh intentará de nuevo explorar nuevos rangos de energía para encontrar nuevas partículas, como hace ahora el LHC. En Europa ahora todos los esfuerzos van en el desarrollo del FCC (-ee o -hh), parece que otros proyectos de colisionadores lineales usando electrones/positrones como ILC (Japón) y CLIC (CERN) ya no son seguidos seriamente. Creo que una de las razones por las que se favorece un FCC es que, una vez excavado el túnel, se utilizará primero para un colisionador de electrones y después para un colisionador de protones. Lo mismo ocurre con el LEP y el LHC: ambos se construyeron en el mismo túnel.

Así que tu pregunta de por qué no usar un colisionador de electrones está justificada, pero cada tipo de colisionador tiene su propia era.