Os experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) realizaram medições de luminosidade com precisão espetacular. Um briefing de física recente do CMS complementa os resultados anteriores do ATLAS e mostra que, combinando vários métodos, ambos os experimentos alcançaram uma precisão melhor que 2%. Para análises físicas, como pesquisas por novas partículas, processos raros ou medições das propriedades de partículas conhecidas - não é apenas importante para os aceleradores aumentarem a luminosidade, mas também para que os físicos o entendam com a melhor precisão possível.

Luminosidade é um dos parâmetros fundamentais para medir o desempenho de um acelerador. No LHC, os feixes circulantes de prótons não são feixes contínuos, mas são agrupados em pacotes, ou "cachos, "de cerca de 100 bilhões de prótons. Esses pacotes colidem com os pacotes que se aproximam 40 milhões de vezes por segundo nos pontos de interação dentro dos detectores de partículas. Mas quando dois desses pacotes passam um através do outro, apenas alguns prótons de cada feixe acabam interagindo com os prótons que circulam na direção oposta. Luminosidade é uma medida do número dessas interações. Dois aspectos principais da luminosidade são luminosidade instantânea, descrevendo o número de colisões que acontecem em uma unidade de tempo (por exemplo, a cada segundo), e luminosidade integrada, medir o número total de colisões produzidas durante um período de tempo.

A luminosidade integrada é geralmente expressa em unidades de "femtobarns inversos" (fb ^-1 ) Um femtobarn é uma unidade de seção transversal, uma medida da probabilidade de um processo ocorrer em uma interação de partícula. Isso é melhor ilustrado com um exemplo:a seção transversal total para a produção do bóson de Higgs em colisões próton-próton a 13 TeV no LHC é da ordem de 6000 fb. Isso significa que toda vez que o LHC fornece 1 fb ^-1 de luminosidade integrada, cerca de 6000 fb x 1 fb ^-1 =6000 bósons de Higgs são produzidos.

Conhecer a luminosidade integrada permite aos físicos comparar observações com previsões e simulações teóricas. Por exemplo, os físicos podem procurar por partículas de matéria escura que escapam de colisões sem serem detectadas, observando as energias e os momentos de todas as partículas produzidas em uma colisão. Se houver um desequilíbrio, pode ser causado por um não detectado, matéria potencialmente escura, partícula levando energia embora. Este é um método poderoso de busca por uma grande classe de novos fenômenos, mas tem que levar em consideração muitos efeitos, como neutrinos produzidos nas colisões. Os neutrinos também escapam sem serem detectados e deixam um desequilíbrio de energia, então, em princípio, eles são indistinguíveis dos novos fenômenos. Para ver se algo inesperado foi produzido, os físicos precisam olhar para os números.

Então, se 11.000 eventos mostram um desequilíbrio de energia, e as simulações prevêem 10.000 eventos contendo neutrinos, isso pode ser significativo. Mas se os físicos só conhecem a luminosidade com uma precisão de 10%, eles poderiam ter facilmente 11.000 eventos de neutrino, mas houve apenas 10% mais colisões do que o previsto. Claramente, uma determinação precisa da luminosidade é crítica.

Existem também tipos de análises que dependem muito menos do conhecimento absoluto do número de colisões. Por exemplo, em medições de proporções de diferentes decaimentos de partículas, como a medição LHCb recente. Aqui, as incertezas na luminosidade são canceladas nos cálculos da proporção. Outras pesquisas por novas partículas procuram picos na distribuição de massa e, portanto, dependem mais da forma da distribuição observada e menos do número absoluto de eventos. Mas estes também precisam saber a luminosidade para qualquer tipo de interpretação dos resultados.

Em última análise, quanto maior a precisão da medição de luminosidade, Quanto mais físicos podem entender suas observações e mergulhar em cantos ocultos além de nosso conhecimento atual.