De ATLAS- en CMS-experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) hebben helderheidsmetingen met spectaculaire precisie uitgevoerd. Een recente natuurkundige briefing van CMS vormt een aanvulling op eerdere ATLAS-resultaten en laat zien dat door het combineren van meerdere methoden, beide experimenten hebben een nauwkeurigheid bereikt die beter is dan 2%. Voor natuurkundige analyses, zoals het zoeken naar nieuwe deeltjes, zeldzame processen of metingen van de eigenschappen van bekende deeltjes - het is niet alleen belangrijk voor versnellers om de helderheid te vergroten, maar ook voor natuurkundigen om het met de best mogelijke precisie te begrijpen.

Lichtsterkte is een van de fundamentele parameters om de prestaties van een versneller te meten. In de LHC, de circulerende bundels van protonen zijn geen continue bundels maar zijn gegroepeerd in pakketten, of "trossen, " van ongeveer 100 miljard protonen. Deze bundels botsen 40 miljoen keer per seconde met tegemoetkomende bundels op de interactiepunten in deeltjesdetectoren. Maar wanneer twee van dergelijke bundels door elkaar gaan, slechts een paar protonen van elke bundel komen in interactie met de protonen die in de tegenovergestelde richting circuleren. Lichtsterkte is een maat voor het aantal van deze interacties. Twee belangrijke aspecten van helderheid zijn onmiddellijke helderheid, beschrijven van het aantal botsingen dat plaatsvindt in een tijdseenheid (bijvoorbeeld elke seconde), en geïntegreerde helderheid, het meten van het totale aantal botsingen dat over een bepaalde periode is geproduceerd.

Geïntegreerde helderheid wordt meestal uitgedrukt in eenheden van "inverse femtobarns" (fb ^-1 ). Een femtobarn is een eenheid van doorsnede, een maat voor de waarschijnlijkheid dat een proces plaatsvindt in een deeltjesinteractie. Dit wordt het best geïllustreerd met een voorbeeld:de totale doorsnede voor de productie van Higgs-bosonen in proton-protonbotsingen bij 13 TeV bij de LHC is in de orde van 6000 fb. Dit betekent dat elke keer dat de LHC 1 fb . levert ^-1 van geïntegreerde helderheid, ongeveer 6000 fb x 1 fb ^-1 =6000 Higgs-bosonen worden geproduceerd.

Door de geïntegreerde helderheid te kennen, kunnen natuurkundigen waarnemingen vergelijken met theoretische voorspellingen en simulaties. Bijvoorbeeld, natuurkundigen kunnen op zoek gaan naar donkere materiedeeltjes die ongemerkt aan botsingen ontsnappen door te kijken naar de energieën en momenten van alle deeltjes die bij een botsing worden geproduceerd. Als er een disbalans is, het kan worden veroorzaakt door een onopgemerkte, mogelijk donkere materie, deeltje dat energie wegvoert. Dit is een krachtige methode om te zoeken naar een grote klasse van nieuwe fenomenen, maar het moet rekening houden met veel effecten, zoals neutrino's geproduceerd in de botsingen. Neutrino's ontsnappen ook onopgemerkt en laten een energieonbalans achter, dus in principe ze zijn niet te onderscheiden van de nieuwe verschijnselen. Om te zien of er iets onverwachts is geproduceerd, natuurkundigen moeten naar de cijfers kijken.

Dus als 11000 gebeurtenissen een energieonbalans laten zien, en de simulaties voorspellen 10000 gebeurtenissen met neutrino's, dit kan aanzienlijk zijn. Maar als natuurkundigen helderheid slechts kennen met een nauwkeurigheid van 10%, ze hadden gemakkelijk 11000 neutrino-evenementen kunnen hebben, maar er waren slechts 10% meer botsingen dan aangenomen. Duidelijk, een nauwkeurige bepaling van de helderheid is van cruciaal belang.

Er zijn ook soorten analyses die veel minder afhankelijk zijn van absolute kennis van het aantal botsingen. Bijvoorbeeld, bij metingen van verhoudingen van verschillende deeltjesverval, zoals de recente LHCb-meting. Hier, onzekerheden in helderheid worden teniet gedaan in de verhoudingsberekeningen. Andere zoekopdrachten naar nieuwe deeltjes zoeken naar pieken in massaverdeling en vertrouwen dus meer op de vorm van de waargenomen verdeling en minder op het absolute aantal gebeurtenissen. Maar deze moeten ook de helderheid weten voor elke vorm van interpretatie van de resultaten.

uiteindelijk, hoe groter de nauwkeurigheid van de lichtsterktemeting, hoe meer natuurkundigen hun waarnemingen kunnen begrijpen en in verborgen hoeken kunnen graven die onze huidige kennis te boven gaan.