Todas las cosas terminan.
Los experimentos de física de partículas generalmente finalizan cuando el rendimiento científico de la ejecución del experimento es tan bajo que ya no tiene sentido ejecutar el experimento. El LHC ha establecido un programa de física completo que se ejecutará hasta principios de la década de 2030. Este es un testimonio del liderazgo en el CERN que dirige el LHC.
Hacer funcionar un acelerador en el mismo modo de operación es una propuesta perdedora desde el punto de vista del retorno de la inversión. Si está corriendo con la misma energía y tiene la misma tasa de colisiones, sus datos se escalan linealmente con el tiempo.
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Actualmente, el LHC está esencialmente en su energía máxima: 13 TeV, un poco por debajo de su energía de diseño de 14 TeV. Es posible que puedan obtener un poco más de energía durante la próxima década. Pero para todos los efectos, el LHC se aprovecha de la energía.
Una vez que haya actualizado completamente su experimento, tiene un período de tiempo fijo antes de que termine. Desde el punto de vista pragmático, si necesita mejorar un resultado de física para obtener un doctorado, y si el tiempo necesario para mejorar un resultado de física es más de 3 a 5 años, el experimento ha terminado.
La fase final del LHC tendrá una duración de 3 a 5 años, y en ese punto estará en el límite superior del alcance del LHC. Correr significativamente más tiempo no dará a los estudiantes graduados tesis doctorales interesantes.
Poder de resolución y descubrimientos
Como la mayoría de los análisis de física son estadísticamente limitados, la resolución / precisión es proporcional a la Señal dividida por la raíz cuadrada del Fondo. La Señal y el Fondo están creciendo linealmente con el tiempo, por lo que está ganando poder de resolución como la raíz cuadrada del tiempo.
Para medir con precisión las cantidades, el LHC tarda cuatro veces más en duplicar la precisión, en las mejores circunstancias. En realidad, pueden aparecer errores sistemáticos que pueden evitar que los experimentos alcancen este nivel de precisión.
Eventualmente, los experimentos estarán dominados por errores estemáticos y ninguna cantidad de toma de datos mejorará los resultados. Lo que termina sucediendo es que los experimentos comienzan a acumular más y más excesos inexplicables que son impulsados por extrañas eficiencias sistemáticas. Estos excesos obviamente podrían ser los primeros signos de una nueva física, pero (después de años de estudio) se explican por la física ordinaria que actúa de manera extraña.
El LHC es una máquina de descubrimiento en lugar de una máquina de medición de precisión. El descubrimiento en la física de partículas generalmente se trata de alcanzar las energías más altas posibles.
Los protones son grandes objetos esponjosos y es difícil obtener una colisión de alta energía de ellos. Las tasas típicas para los procesos caen como la quinta a séptima potencia de la energía que se está probando.
El alcance en el crecimiento de energía / masa es como la décima a la decimocuarta potencia del tiempo. Entonces, después de correr durante un año, ¡correr durante 10 años te dará un 25% más de alcance!
Esa es una propuesta difícil, porque la mayor parte del beneficio de los colisionadores de protones se produce al comienzo del experimento. Por lo tanto, si usted es un físico de partículas y tiene la suerte de estar haciendo ciencia cuando un colisionador comienza a correr, debe poner todo su esfuerzo en los primeros años, ya que es cuando los descubrimientos van a suceder.
Actualizaciones planificadas de LHC
El CERN sabía que los resultados científicos interesantes que se producen al principio serían un problema, por lo que planearon tratar de extender la ciencia del LHC el mayor tiempo posible. El LHC actualizará su tasa de colisiones con el tiempo para que acumule más datos a un ritmo cada vez más rápido. Este aumento previsto en la tasa de colisión ayudará a superar los rendimientos decrecientes.
La cantidad operativa de la que hablan los físicos es la luminosidad integrada , que se mide en la maravillosa unidad de femtobarnos inversos (un área inversa). Actualmente, el LHC se acerca a 20 femtobarnos inversos de datos. Para su cierre final, serán 3000 femtobarnos inversos, un aumento de 150. Esto dará como resultado un aumento del 65% en el alcance durante los próximos 15 años más o menos.
Estos aumentos en la luminosidad cambian un programa científico de 3 a 5 años en un programa científico de 15 años. Cuando todo esté dicho y hecho, el túnel LEP en el que se aloja el LHC habrá producido ciencia desde 1989 hasta 2034, ¡45 años! Desafortunadamente, esto pondrá fin a la ciencia de vanguardia que se puede hacer en este túnel y habrá que construir un nuevo túnel.
La única advertencia es que si no hay excesos y el LHC está estableciendo límites de 2 sigma y realmente le interesan los descubrimientos de 5 sigma, necesita seis veces la cantidad de datos para pasar de una exclusión de 2 sigma a un descubrimiento de 5 sigma. Si no hay excesos este verano, solo habrá un aumento del 38% en energía si está buscando descubrimientos.
Al final de la línea
La razón por la que el LHC terminará es que no pueden aumentar la luminosidad más allá de lo que podrán lograr en las fases finales del LHC, donde habrá cientos de protones colisionando cada vez que los rayos se crucen. Simplemente ejecutarlo, simplemente no va a producir muchos resultados físicos interesantes, debido a la pérdida de poder de resolución y al hecho de que los protones se están quedando sin energía.
Las colisiones en la última fase del LHC colisionarán 200 protones a la vez. Investigar estas colisiones requerirá desentrañar todas las colisiones y buscar un proceso increíblemente raro dentro de estos eventos complicados. Los detectores también envejecen rápidamente por el daño de la radiación.
Con suerte, habrá un sucesor del LHC que estará a la vuelta de la esquina, si no funciona. Si no, será el final de la física de partículas. Dado que los aceleradores requieren de 15 a 20 años para construirse, para no tener una brecha, los compromisos para los nuevos aceleradores deben estar sucediendo ahora.
Lamentablemente, Estados Unidos ya no es un lugar viable para hacer física de partículas. No ha sido desde el cierre de Tevatron en 2011. Además, EE. UU. No tiene planes de continuar ninguna investigación significativa en física de partículas con la agencia de financiación principal, el Departamento de Energía, feliz de dejar que la física de partículas de EE. UU. Desaparezca.
