Explorando os
mistérios do Universo
com o LHC
Arthur M. Moraes
University of Glasgow
Seminário de Física: Colégio Visão
26 de Setembro 2008
Goiânia, GO
Sumário:
I. Introduço
a. CERN;
b. Física de partículas no século XXI;
II. Grande Colisor de Hádrons
III. ATLAS
IV. GRID no LHC
V. O que se espera do LHC?
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
3
“De onde é que
tudo veio?”
“De onde é
que tudo
veio?”
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
3
CERN: Laboratório Europeu
para Pesquisa Nuclear
O maior laboratório de física de
partículas do mundo!
Mais de 50 anos de:
- pesquisa fundamental e descobertas
(incluindo premios Nobel em física).
- inovação tecnológica e transferência
de tecnologia para a sociedade (“World
Wide Web”, por exemplo);
- treinamento
e
educação
(jovens pesquisadores, alunos e
professores);
- cooperação internacional.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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...um pouco de história.
1952: com o objetivo de restaurar pesquisa científica na Europa, 11 países europeus
assinam acordo para se criar “Conseil Européen pour la Recherche Nucleire” (CERN).
Genebra (Suíça) é escolhida para a construção do laboratório.
1954: O Laboratório Europeu para Pesquisa Nuclear é fundado (12 países membros!).
CERN torna-se um dos primeiros exemplos de cooperação científica pós-guerra.
Genebra, 1953: jornal local anuncia a escolha
do terreno para a instalação do laboratório.
CERN, 1955: instalação da pedra fundamental!
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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Em pouco mais de 50 anos:
Prêmios Nobel: cientistas do CERN receberam
prêmios Nobel em 1976, 1984, 1988 e 1992.
George Charpak
(1992)
Carlo Rubia
(1984)
T. Berners-Lee
(inventor da World
Wide Web)
Samuel Ting
(1976)
Exemplos de outras contribuições em:
medicina;
tecnologia para produção alternativa de energia;
melhoramento de métodos industriais (bombas
de vácuo, eletrônica de resposta rápida, etc);
formação de mão de obra altamente qualificada
em novas tecnologias.
A. Moraes
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CERN hoje:
20 países
membros
A. Moraes
6 países
“observadores”
Brasil: 68 participantes
(físicos e engenheiros)
Orçamento anual:
~ 1.000 MCHF (~R$ 1.500 M)
GB contribui £78M: aprximadamente
1 cafézinho por cidadão britânico!
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Principal objetivo do CERN: Avançar a ciência!
Matéria
Átomos
Elétron
Próton
Quarks
Núcleo
Nêutron
10-10m
10-14m
10-15 - 10-18m
Entender
as leis fundamentais da natureza através do estudo das partículas elementares e
suas interações.
Física de partículas permite-nos decifrar a estrutura e evolução do Universo: do
infinitamente “pequeno” ao infinitamente “grande”.
A. Moraes
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Como se estuda partículas elementares e suas
interações?
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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Como se estuda partículas elementares e suas
interações?
Acelera-se dois feixes de partículas (prótons, por
exemplo) à velocidades próximas da velocidade da
luz e faz-se com que eles se colidam.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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Como se estuda partículas elementares e suas
interações?
Acelera-se dois feixes de partículas (prótons, por
exemplo) à velocidades próximas da velocidade da
luz e faz-se com que eles se colidam.
Os prótons que colidem são quebrados em seus componentes fundamentais
(por exemplo, quarks).
Esses constituintes fundamentais interagem à altas energias:
Estuda-se a maneira como matéria fundamental se comporta;
(Novas) partículas pesadas podem ser produzidas nas colisões
(E=mc2) ;
quanto mais alta a energia do acelerador, mais pesadas sao as
partículas que podem ser produzidas. Essas partículas pesadas decaem
em partículas mais leves (e conhecidas: elétrons, fótons, etc).
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
10
Como se estuda partículas elementares e suas
interações?
Acelera-se dois feixes de partículas (prótons, por
exemplo) à velocidades próximas da velocidade da
luz e faz-se com que eles se colidam.
Os prótons que colidem são quebrados em seus componentes fundamentais
(por exemplo, quarks).
Esses constituintes fundamentais interagem à altas energias:
Estuda-se a maneira como matéria fundamental se comporta;
(Novas) partículas pesadas podem ser produzidas nas colisões
(E=mc2) ;
quanto mais alta a energia do acelerador, mais pesadas sao as
partículas que podem ser produzidas. Essas partículas pesadas decaem
em partículas mais leves (e conhecidas: elétrons, fótons, etc).
Colocando-se “poderosos” e “high-tech”
detetores ao redor do pontos de colisão, nós
podemos reconstruir as interações através
dos
sinais
deixados
pelas
partículas
produzidas na colisão.
ATLAS
CMS
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Ingredientes para física de partículas:
1) Aceleradores: túneis no sub-solo (geralmente
anéis) contendo campos elétricos para acelerar
partículas à altas energias (incrementalmente a cada
volta), e eletroímãs para curvar of feixes de partículas e
promover as colisões.
A. Moraes
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Ingredientes para física de partículas:
1) Aceleradores: túneis no sub-solo (geralmente
anéis) contendo campos elétricos para acelerar
partículas à altas energias (incrementalmente a cada
volta), e eletroímãs para curvar of feixes de partículas e
promover as colisões.
e+
e-
p-
p+
Aceleradores são “poderosos e gigantescos microscópios
pra se explorar os menores constituíntes da matéria”.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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Ingredientes para física de partículas:
1) Aceleradores: túneis no sub-solo (geralmente
anéis) contendo campos elétricos para acelerar
partículas à altas energias (incrementalmente a cada
volta), e eletroímãs para curvar of feixes de partículas e
promover as colisões.
2) Detetores: instrumentos de alta tecnologia
utilizados para identificar e medir (energia, trajetória,
etc) os produtos das colisões.
A. Moraes
Goiânia,
Goiâni
ia, 26 de Setembro 2008.
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Ingredientes para física de partículas:
1) Aceleradores: túneis no sub-solo (geralmente
anéis) contendo campos elétricos para acelerar
partículas à altas energias (incrementalmente a cada
volta), e eletroímãs para curvar of feixes de partículas e
promover as colisões.
2) Detetores: instrumentos de alta tecnologia
utilizados para identificar e medir (energia, trajetória,
etc) os produtos das colisões.
3) Computadores (muitos!!!): armazenar, distribuir e
analisar a quantidade enorme de dados produzida
pelos detetores, permitindo que se reconstrua o
“evento” ocorrido na colisão.
LHC: 15 PetaBytes / ano
de dados armazenados.
A. Moraes
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Ingredientes para física de partículas:
1) Aceleradores: túneis no sub-solo (geralmente
anéis) contendo campos elétricos para acelerar
partículas à altas energias (incrementalmente a cada
volta), e eletroímãs para curvar of feixes de partículas e
promover as colisões.
2) Detetores: instrumentos de alta tecnologia
utilizados para identificar e medir (energia, trajetória,
etc) os produtos das colisões.
3) Computadores (muitos!!!): armazenar, distribuir e
analisar a quantidade enorme de dados produzida
pelos detetores, permitindo que se reconstrua o
“evento” ocorrido na colisão.
LHC: 15 PetaBytes / ano
de dados armazenados.
A. Moraes
Balloon
(30 Km)
CD stack with
1 year LHC data!
(~ 20 Km)
Concorde
(15 Km)
Mt. Blanc
(4.8 Km)
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O Grande Colisor de Hádrons - CERN
(Large Hadron Collider)
O acelerador mais poderoso já construído!
e também...
os detetores mais sofisticados...
a mais avançada estrutura computacional...
a maior colaboração internacional em ciências...
os mais inovativos conceitos e tecnologias.
(criogenia, novos materiais, eletrônica, transmissão e
armazenagem de dados, etc.)
Todos esses elementos combinados nesse que é
o maior e (um dos...?) mais ambicioso projeto não
apenas em física de partículas, mas em ciências
em geral!
Dados estão sendo coletados desde o dia
10 de Setembro!
A. Moraes
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Testes provaram que o LHC consegue
sustentar feixes circulando em ambas as
direções!
Próximo passo: promover colisões.
A. Moraes
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Testes provaram que o LHC consegue
sustentar feixes circulando em ambas as
direções!
.
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Próximo passo: promover colisões.
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A. Moraes
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15
O LHC é um acelerador circular, instalado a 100m de
profundidade no subsolo na fronteira entre França e Suíça.
Dois
feixes de prótons serão acelerados em direções opostas,
próximos da velocidade da luz.
Os feixes se cruzarão em quatro pontos, onde quatro experimentos
(grandes detetores) estão instalados.
A. Moraes
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O LHC é um acelerador circular, instalado a 100m de
profundidade no subsolo na fronteira entre França e Suíça.
Dois
feixes de prótons serão acelerados em direções opostas,
próximos da velocidade da luz.
Os feixes se cruzarão em quatro pontos, onde quatro experimentos
(grandes detetores) estão instalados.
LHC: Anel de 27 Km
CERN
Fronteira Franco-Suíça
Aeroporto de Genebra
A. Moraes
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Quatro experimentos medirão os produtos das colisões do LHC:
ATLAS, CMS, LHCb e ALICE
Grupos brasileiros estão envolvidos nos trabalhos de todos os quatro experimentos.
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O Grande Colisor de Hádrons - CERN
Energia das colisões de prótons: 14TeV (14 x 1012 eV).
~7 vezes maior do que é produzido atualmente!
A energia armazenada ao longo do anel é de ~360MJ.
Comparável à:
Energia cinética de 1 navio de cruzeiro de 10.000 tons.
movendo-se a 30 Km/h.
Energia liberada em 80 Kg de TNT.
Energia necessária para se derreter 500 Kg de cobre.
Energia necessária para aquecer 1 metro cúbico de
água em 850 C (uma tonelada de chá...).
Talvez
os componentes mais complexos do LHC sejam os
1232 eletroímãs supercondutores que geram um campo
magnético de 8.3T (necessario para curvar os feixes de 7
TeV no anel). Eles utilizam 7,600 Km cabos supercondutores
de NbTi e funcionam à uma temperatura de 1.9K.
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Detetores em Física de Partículas
A. Moraes
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19
Detetores em Física de Partículas
Detetores são projetados para cobrir o máximo
possivel em regiões anlgulares envolvendo o
ponto de interação.
A função primordial de um detetor
de partículas é medir a quantidade
máxima de partículas produzidas
bem como suas propriedades.
A. Moraes
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19
Detetores
funcionam
como
câmeras digitais capazes de tirar
“fotos” das colisões de prótons.
- No LHC a frequência de colisões
pp é de 40 milhões por segundo!
- Numa situaço “normal”,
espera-se que o detetor registre e
grave 100 “fotos” por segundo.
Técnicas computacionais altamente
sofisticadas são utilizadas para se
reconstruir sinais produzidos pelas
partículas em várias partes do
detetor.
Simulação de um “micro buraconegro” no detetor ATLAS: imagem
mostraA.seção
Moraestransversa do detetor.
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A Toroidal LHC AparatuS - ATLAS
A. Moraes
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21
A Toroidal LHC AparatuS - ATLAS
~7,000 toneladas
~100 milhões de canais eletrônicos
~3,000 Km de cabos
A. Moraes
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A Toroidal LHC AparatuS - ATLAS
pessoas...
~7,000 toneladas
~100 milhões de canais eletrônicos
~3,000 Km de cabos
A. Moraes
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22
Detetor ATLAS: Colaboração
Maior detetor de partículas do mundo!
Mais de 2500 cientistas...
37 países participantes.
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23
Detetor ATLAS: Instalação
A. Moraes
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24
Detetor ATLAS: Instalação
2003
October 2005
A. Moraes
October 2004
October 2006
August 2005
November 2007
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24
Detetor ATLAS: Instalação
29 de Fevereiro 2008: Último “grande” componente do
detetor ATLAS é instalado - “pequenas rodas” (~10m em
diâmetro, pesando ~100tons)
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“Traços” produzidos por raios cósmicos,
detetados pelos sistemas SCT e TRT
ATLAS
event:JiveXML_39297_00084 run:39297 ev:84 geometry: <default>
Atlantis
Medidas de raios cósmicos são
-100
0
Y (cm)
100
fundamentais para o comissionamento do
detetor: combina-se DAQ, computação online
e oine.
0
-100
A. Moraes
X (cm)
100
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A. Moraes
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A. Moraes
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28
Computação no LHC: GRID
Balloon
(30 Km)
Cada experimento do LHC produzirá ~10PB
de dados por ano.
CD stack with
1 year LHC data!
(~ 20 Km)
1PB = 106 GB
Quantidade total de dados corresponde a
~20 milhões de DVDs
Concorde
(15 Km)
Mt. Blanc
(4.8 Km)
A. Moraes
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Computação no LHC: GRID
Balloon
(30 Km)
Cada experimento do LHC produzirá ~10PB
de dados por ano.
CD stack with
1 year LHC data!
(~ 20 Km)
1PB = 106 GB
Quantidade total de dados corresponde a
~20 milhões de DVDs
~100.000 computadores (dentre os mais
Concorde
(15 Km)
modernos e rápidos) sero utilizados nas
análises de dados.
Análise: separar
sinal do “ruído”
Mt. Blanc
(4.8 Km)
A. Moraes
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Computação no LHC: GRID
Balloon
(30 Km)
Cada experimento do LHC produzirá ~10PB
de dados por ano.
CD stack with
1 year LHC data!
(~ 20 Km)
1PB = 106 GB
Quantidade total de dados corresponde a
~20 milhões de DVDs
~100.000 computadores (dentre os mais
Concorde
(15 Km)
modernos e rápidos) sero utilizados nas
análises de dados.
Análise: separar
sinal do “ruído”
A Colaboração internacional que trabalha
Mt. Blanc
(4.8 Km)
nos experimentos está distribuída em todo o
globo: recursos computacionais precisam
também estar distribuídos.
Europa:
267 institutos
4603 usuários
em outros constinentes:
208 institutos
1632 usuários
A. Moraes
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29
Mais alguns números do LHC...
Número de voltas que os prótons vão dar no anel do LHC em 1 s: ~11.000
Número de colisões em 1 s: 40 milhões
Número de partículas produzidas por colisão: ~100 partículas primárias
trajetórias reconstruídas com ~10m de precisão (1m = 10-6m)
Temperatura para operação do acelerador: 1.9K (mais frio do que no espaço intergalático)
Peso do detetor CMS: ~13.000 tons. (30% maior do que
a Torre Eiel)
Quantidade de cabos utilizados para transferir os sinais medidos pelo ATLAS: ~3000Km
Dados gravados pelos experimentos em 1 ano: pilha de 20Km de CDs
Número de físicos trabalhando no projeto: >4000 (cientistas dos 5 continentes)
Custo total (acelerador + detetores): ~ 6000 MCHF.
“O maior e mais ambicioso projeto em
física de partículas e um dos mais
ambiciosos em ciências em geral.”
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
30
Mais alguns números do LHC...
Número de voltas que os prótons vão dar no anel do LHC em 1 s: ~11.000
Número de colisões em 1 s: 40 milhões
Número de partículas produzidas por colisão: ~100 partículas primárias
trajetórias reconstruídas com ~10m de precisão (1m = 10-6m)
Temperatura para operação do acelerador: 1.9K (mais frio do que no espaço intergalático)
Por que???
Peso do detetor CMS: ~13.000 tons. (30% maior do que
a Torre Eiel)
Quantidade de cabos utilizados para transferir os sinais medidos pelo ATLAS: ~3000Km
Dados gravados pelos experimentos em 1 ano: pilha de 20Km de CDs
Número de físicos trabalhando no projeto: >4000 (cientistas dos 5 continentes)
Custo total (acelerador + detetores): ~ 6000 MCHF.
“O maior e mais ambicioso projeto em
física de partículas e um dos mais
ambiciosos em ciências em geral.”
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
31
Destruição do Planeta (e um “pedacinho”
da Galáxia)?
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
32
Destruição do Planeta (e um “pedacinho”
da Galáxia)?
LHC?
oops!!!
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
32
Destruição do Planeta: muito pouco provável!
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
33
Destruição do Planeta: muito pouco provável!
Fluxo de Raios Cósmicos
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
33
O Modelo Padrão das interações elementares
As partículas elementares e suas interações são descritas por
uma teoria (“Modelo Padrão”) verificada experimentalmente com
extrema precisão nos últimos 35 anos no CERN e em outros
laboratórios.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
34
Questões em aberto e mistérios não
explicados pelo Modelo Padrão:
Qual é a origem das massas das partículas?
O que é a matéria escura presente no Universo?
Qual é a origem da assimetria matéria-antimatéria do Universo?
Quais eram os constituíntes do plasma primordial
do Universo, ~10s após o Big-Bang?
Como se deu a evolução inicial do Universo,
~10-10s após o Big-Bang?
etc...
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
35
Questões em aberto e mistérios não
explicados pelo Modelo Padrão:
Qual é a origem das massas das partículas?
ATLAS, CMS
O que é a matéria escura presente no Universo?
ATLAS, CMS
Qual é a origem da assimetria matéria-antimatéria do Universo?
LHCb
Quais eram os constituíntes do plasma primordial
do Universo, ~10s após o Big-Bang?
ALICE
Como se deu a evolução inicial do Universo,
~10-10s após o Big-Bang?
ATLAS, CMS
etc...
O LHC vai contribuir decisivamente para a
elucidação destes e outros mistérios.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
35
Perspectiva histórica (I):
W boson
1982 – Primeiro ciclo extendido de
medidas físicas com UA1 e UA2
CERN SppS – s=546GeV
UA1
L=5x10288cm-2s-1 total equivalente à
~20nb-1 (30 days)
Z boson
Descobre-se os bósons W e Z
(“apenas” alguns meses de trabalho em análise)
UA1
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
36
Perspectiva histórica (I):
W boson
1982 – Primeiro ciclo extendido de
medidas físicas com UA1 e UA2
UA1
CERN SppS – s=546GeV
L=5x10288cm-2s-1 total equivalente à
~20nb-1 (30 days)
Z boson
Descobre-se os bósons W e Z
(“apenas” alguns meses de trabalho em análise)
Desafios (destacando-se apenas
alguns…)
UA1
Novo regime experimental.
Pouco conhecimento da física
observada com essas altas energias
(“jatos” haviam acabado de ser
descobertos !)
A. Moraes
Qual foi o fator decisivo para as descbertas?
Altas energias foram o fator principal: quase 10 vezes
maior do que a energia da fronteira anterior (ISR).
Permitiu-se a abertura de novas regiões no espaço
de fase.
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
36
Perspectiva histórica (II):
1987– Primeiro ciclo extendido de
medidas físicas do CDF no Fermilab
Tevatron – s=1.8TeV
L=5x10288cm-2s-1 (~1% valor máximo experado) total de
eventos coletados ~20nb
b-1
Nada novo emergiu desse ciclo!
Tevatron
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
37
Perspectiva histórica (II):
1987– Primeiro ciclo extendido de
medidas físicas do CDF no Fermilab
Tevatron – s=1.8TeV
L=5x10288cm-2s-1 (~1% valor máximo experado) total de
eventos coletados ~20nb
b-1
Nada novo emergiu desse ciclo!
Precisou-se de “um bom tempo” para
que CDF pudesse verdadeiramente
explorar novo território.
Tevatron
Qual foi o fator decisivo?
Com apenas 3 vezes mais energia de
centro-de-massa, não se foi possível
compensar a grande quantidade de dados
já acmulados por UA1 and UA2.
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
37
O que se espera do LHC?
Programação do LHC 2008-2009:
LHC completamente resfriado a partir de Julho 2008.
Comissionamento dos feixes de partículas assim que o resfriamento for concluído e
mantido.
Primeiras colisões / coleta de dados para análise física a s=10 TeV: Outubro 2008.
Coleta de dados deve durar ~2 meses.
Ciclo de funcionamento “piloto”: espera-se atingir uma luminosidade de 1032 cm-2.s-1
até o fim de 2008 (~1% da luminosidade máxima projetada).
Ciclo de coletas em 2009: espera-se operar à s=14 TeV, atingindo-se 1033 cm-2.s-1
(talvez até valores mais altos!).
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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O que se espera do LHC?
Programação do LHC 2008-2009:
LHC completamente resfriado a partir de Julho 2008.
Comissionamento dos feixes de partículas assim que o resfriamento for concluído e
mantido.
Primeiras colisões / coleta de dados para análise física a s=10 TeV: Outubro 2008.
Coleta de dados deve durar ~2 meses.
Ciclo de funcionamento “piloto”: espera-se atingir uma luminosidade de 1032 cm-2.s-1
até o fim de 2008 (~1% da luminosidade máxima projetada).
Nos ciclos medidas em 2009 o LHC estará numa situação
A. Moraes
Goiânia, 26 de Setembro 2008.
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