Gli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) hanno eseguito misurazioni di luminosità con una precisione spettacolare. Un recente briefing di fisica del CMS integra i precedenti risultati di ATLAS e mostra che combinando più metodi, entrambi gli esperimenti hanno raggiunto una precisione migliore del 2%. Per le analisi fisiche, come la ricerca di nuove particelle, rari processi o misurazioni delle proprietà di particelle note:non è solo importante per gli acceleratori aumentare la luminosità, ma anche per i fisici per capirlo con la massima precisione possibile.

La luminosità è uno dei parametri fondamentali per misurare le prestazioni di un acceleratore. Nell'LHC, i fasci circolanti di protoni non sono fasci continui ma sono raggruppati in pacchetti, o "mazzi, " di circa 100 miliardi di protoni. Questi gruppi si scontrano con i gruppi in arrivo 40 milioni di volte al secondo nei punti di interazione all'interno dei rivelatori di particelle. Ma quando due di questi gruppi si incrociano, solo pochi protoni di ogni grappolo finiscono per interagire con i protoni che circolano nella direzione opposta. La luminosità è una misura del numero di queste interazioni. Due aspetti principali della luminosità sono la luminosità istantanea, descrivere il numero di collisioni che si verificano in un'unità di tempo (ad esempio ogni secondo), e luminosità integrata, misurare il numero totale di collisioni prodotte in un periodo di tempo.

La luminosità integrata è solitamente espressa in unità di "femtobarns inversi" (fb ^-1 ). Un femtobarn è un'unità di sezione trasversale, una misura della probabilità che un processo si verifichi in un'interazione di particelle. Questo è meglio illustrato con un esempio:la sezione d'urto totale per la produzione del bosone di Higgs nelle collisioni protone-protone a 13 TeV all'LHC è dell'ordine di 6000 fb. Ciò significa che ogni volta che LHC eroga 1 fb ^-1 di luminosità integrata, circa 6000 fb x 1 fb ^-1 =vengono prodotti 6000 bosoni di Higgs.

La conoscenza della luminosità integrata consente ai fisici di confrontare le osservazioni con previsioni e simulazioni teoriche. Per esempio, i fisici possono cercare particelle di materia oscura che sfuggono alle collisioni senza essere rilevate osservando le energie e i momenti di tutte le particelle prodotte in una collisione. Se c'è uno squilibrio, potrebbe essere causato da un non rilevato, potenzialmente materia oscura, particella che trasporta energia. Questo è un potente metodo per cercare una vasta classe di nuovi fenomeni, ma deve tener conto di molti effetti, come i neutrini prodotti nelle collisioni. Anche i neutrini sfuggono inosservati e lasciano uno squilibrio energetico, quindi in linea di principio sono indistinguibili dai nuovi fenomeni. Per vedere se è stato prodotto qualcosa di inaspettato, i fisici devono guardare i numeri.

Quindi, se 11000 eventi mostrano uno squilibrio energetico, e le simulazioni prevedono 10000 eventi contenenti neutrini, questo potrebbe essere significativo. Ma se i fisici conoscono la luminosità solo con una precisione del 10%, avrebbero potuto facilmente avere 11000 eventi di neutrini, ma c'erano solo il 10% in più di collisioni rispetto a quanto ipotizzato. Chiaramente, una determinazione precisa della luminosità è critica.

Esistono anche tipi di analisi che dipendono molto meno dalla conoscenza assoluta del numero di collisioni. Per esempio, nelle misurazioni dei rapporti dei diversi decadimenti delle particelle, come la recente misurazione di LHCb. Qui, le incertezze di luminosità vengono annullate nei calcoli del rapporto. Altre ricerche di nuove particelle cercano picchi nella distribuzione di massa e quindi si basano più sulla forma della distribuzione osservata e meno sul numero assoluto di eventi. Ma questi devono anche conoscere la luminosità per qualsiasi tipo di interpretazione dei risultati.

In definitiva, maggiore è la precisione della misurazione della luminosità, più i fisici possono comprendere le loro osservazioni e scavare in angoli nascosti oltre le nostre attuali conoscenze.