Ce este şi în ce se măsoară în domeniul fizicii particulelor "luminozitatea instantanee", respectiv "luminozitatea integrată" şi care sunt valorile lor la acceleratoarele de particule Tevatron şi LHC. Detalii pe această temă, în continuare.
Ce este luminozitatea?
Luminozitatea măsoară numărul de coliziuni între particule într-un accelerator de particule. Cu cât sunt mai multe coliziuni, cu atât luminozitatea este mai mare.
Numărul de coliziuni N depinde mai precis de doi factori: probabilitatea de interacţie între două particule de un anumit tip (denumită "cross-section" sau secţiune eficace și notată cu litera grecească sigma) şi de restul (care rest variază de la accelerator la accelerator), iar acest rest îl reprezintă luminozitatea, notată cu L.
{tex}$N=\sigma \cdot L${/tex}
Dacă ciocnim aceleaşi tipuri de particule la un alt accelerator, atunci secțiunea eficace rămâne la fel, dar luminozitatea L se schimbă. Dacă la un acelaşi accelerator ciocnim diferite tipuri de particule, atunci luminozitatea L rămâne la fel, dar secţiunea eficace se schimbă.
Cu alte cuvinte, secţiunea eficace reprezintă fenomenul fizic pur, căci are aceeaşi valoare oriunde în Univers s-ar întâmpla fenomenul. În schimb, luminozitatea este ceea ce depinde de condiţiile în care este efectuat experimentul, adică de la accelerator de particule la accelerator de particule, sau chiar la acelaşi accelerator se poate schimba în timp, pentru a deveni tot mai mare.
Cu cât este L mai mare, cu atât au loc mai multe coliziuni de particule şi cu atât se produc mai multe particule rare, precum bosonul Higgs sau particule de materie întunecată, dacă există cumva, şi deci cu atât creşte şansa de a le observa experimental şi de a le descoperi.
Puteţi citi un articol amplu despre luminozitate aici.
În ce se măsoară luminozitatea?
N este un număr şi deci nu are asociată o unitate de măsură. Secţiunea eficace {tex}$\sigma ${/tex} se măsoară în aceeaşi unitate ca şi o suprafaţă, adică în metri pătraţi. Dar cum valorile sunt foarte mici, în practică se foloseşte "barn"-ul, care este {tex}$1\ barn = 10^{-28} m^2${/tex}. Aşadar, unitatea de măsură a luminozităţii este unu supra metru pătrat, adică {tex}$m^{-2}${/tex}.
Care e diferenţa între luminozitate instantanee şi luminozitate integrată?
Luminozitatea instantanee se referă la ce se petrece în unitatea de timp, adică într-o secundă. Luminozitatea integrată (adică însumată) reprezintă luminozitatea medie de-a lungul unei perioade de timp. Cu alte cuvinte, dacă înmulţeşti intensitatea instantanee cu secţiunea eficace obţii numărul de coliziuni într-o secundă, iar dacă înmulţeşti secţiunea eficace cu intensitatea integrată obţii numărul total de coliziuni de la început până acum.
Unitatea de măsură a luminozităţii instantanee este aşadar {tex}$m^{-2}s{-1}${/tex}.
Cum se compară luminozitatea la Tevatron şi LHC?
Acceleratorul LHC nu va avea doar o energie de coliziune de 7 ori mai mare decât la Tevatron, ci va avea şi o luminozitate mai mare, adică va avea mai multe coliziuni. Astfel, şansa de a descoperi particule noi, masive, la LHC, este din două motive mai mare ca la Tevatron. Trebuie totuşi menţionat că LHC-ul va urca doar uşor uşor spre luminozitatea maximă pentru care a fost conceput, în timp ce Tevatronul funcţionează deja la luminozitatea maximă, ba chiar o depăşeşte din când în când cu noi recorduri. Aceasta deoarece acceleratorul Tevatron funcţionează de cam două decenii, timp în care a fost bine înţeles şi controlat. În schimb, acceleratorul LHC este la un început de drum şi va fi şi el bine înţeles peste vreo două decenii, când va fi la sfârşitul perioadei sale de funcţionare.
Graficul luminozităţii integrate la Tevatron
Intensitatea instantanee estimată pentru LHC atunci când va funcţiona la capacitatea maximă va fi {tex}$L=10^{34}cm^{-2}s{-1}${/tex}, pe când cea de la Tevatron este de {tex}$L=3.5 \cdot 10^{32}cm^{-2}s{-1}${/tex}. Aşadar LHC-ul va avea o luminozitate instantanee de aproape 50 de ori mai mare decât cea de acum de la Tevatron.
Notă: acceleratorul de particule Tevatron şi-a încetat activitatea pe 30 septembrie 2011. Articolul este scris la o dată anterioară.
