ATLAS- och CMS -experimenten på Large Hadron Collider (LHC) har utfört ljusmätningar med spektakulär precision. En ny fysik briefing från CMS kompletterar tidigare ATLAS resultat och visar att genom att kombinera flera metoder, båda experimenten har nått en precision som är bättre än 2%. För fysikanalyser - till exempel sökningar efter nya partiklar, sällsynta processer eller mätningar av egenskaperna hos kända partiklar - det är inte bara viktigt för acceleratorer att öka ljusstyrkan, men också för fysiker att förstå det med bästa möjliga precision.

Ljusstyrka är en av de grundläggande parametrarna för att mäta en accelerators prestanda. I LHC, de cirkulerande strålarna av protoner är inte kontinuerliga strålar utan grupperas i paket, eller "gäng, "på cirka 100 miljarder protoner. Dessa gäng kolliderar med mötande gäng 40 miljoner gånger per sekund vid interaktionspunkterna inom partikeldetektorer. Men när två sådana buntar passerar genom varandra, bara några protoner från varje gäng hamnar i interaktion med protonerna som cirkulerar i motsatt riktning. Ljusstyrka är ett mått på antalet interaktioner. Två huvudaspekter av ljusstyrka är momentan ljusstyrka, beskriver antalet kollisioner som sker under en tidsenhet (till exempel varje sekund), och integrerad ljusstyrka, mäta det totala antalet kollisioner som producerats under en tidsperiod.

Integrerad ljusstyrka uttrycks vanligtvis i enheter av "inverse femtobarns" (fb ^-1 ). Ett femtobarn är en enhet i tvärsnitt, ett mått på sannolikheten för att en process ska inträffa i en partikelinteraktion. Detta illustreras bäst med ett exempel:det totala tvärsnittet för Higgs bosonproduktion vid proton-protonkollisioner vid 13 TeV vid LHC är i storleksordningen 6000 fb. Det betyder att varje gång LHC levererar 1 fb ^-1 integrerad ljusstyrka, cirka 6000 fb x 1 fb ^-1 =6000 Higgs bosoner produceras.

Genom att känna till den integrerade ljusstyrkan kan fysiker jämföra observationer med teoretiska förutsägelser och simuleringar. Till exempel, fysiker kan leta efter partiklar av mörk materia som slipper kollisioner oupptäckta genom att titta på energier och moment av alla partiklar som produceras vid en kollision. Om det finns en obalans, det kan orsakas av en oupptäckt, potentiellt mörk materia, partikel som tar bort energi. Detta är en kraftfull metod för att söka efter en stor klass av nya fenomen, men det måste ta hänsyn till många effekter, som neutrinoer som produceras vid kollisionerna. Neutrinos flyr också oupptäckta och lämnar en energibalans, så i princip, de går inte att skilja från de nya fenomenen. För att se om något oväntat har producerats, fysiker måste titta på siffrorna.

Så om 11000 händelser visar en energibalans, och simuleringarna förutsäger 10000 händelser som innehåller neutrinoer, detta kan vara betydande. Men om fysiker bara känner till ljusstyrkan med en precision på 10%, de kunde lätt ha haft 11000 neutrinohändelser, men det var bara 10% fler kollisioner än man antog. Klart, en exakt bestämning av ljusstyrkan är kritisk.

Det finns också typer av analyser som är mycket mindre beroende av absolut kunskap om antalet kollisioner. Till exempel, i mätningar av förhållanden mellan olika partikelförfall, såsom den senaste LHCb -mätningen. Här, osäkerheter i ljusstyrkan avbryts i förhållandeberäkningarna. Andra sökningar efter nya partiklar letar efter toppar i massdistribution och förlitar sig därför mer på formen av den observerade fördelningen och mindre på det absoluta antalet händelser. Men dessa måste också känna till ljusstyrkan för någon form av tolkning av resultaten.

I sista hand, desto större precision i ljusmätningen, ju fler fysiker kan förstå sina observationer och fördjupa sig i dolda hörn bortom vår nuvarande kunskap.