Acercándonos al LHC

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 FUENTE DE PROTONES
 


La fuente de protones  (proton source) es donde todo comienza en el CERN.

(un nuevo sistema estará funcionando en 2017-18 en el Linac4)

Para "fabricar" los protones, se inyecta gas hidrógeno dentro dun cilindro de metal, -Duoplasmatron- para que un campo eléctrico disocie los átomos en protones y electrones. Este proceso da lugar a un 70 % de protones.

Podemos simplificar el proceso así:

H2 + e-  →  H2+ + 2e-

H2+ + e→  H+ + H + e-

H + e→  H+ + 2e-


 H2   →   2 H+ + 2e-


  Para cada haz del LHC, necesitamos:

2808 bunches x 1.15·1011 = 3·1014  protones por haz

o el doble,  6·1014  protones para los dos haces   (1)

Un solo centímetro cúbico de gas hidrógeno a temperatura ambiente contiene

con  P = 105 Pa   ,,   V = 10-6 m3   ,,   T=293 K

 usando   P·V = n·R·T  -   

n = 4·10-5 moles    ,,    N = 4·10-5 x 6·1023 = 2.4·1019 moléculas  

Por tanto 5·1019 átomos of hidrógeno      (2)

Teniendo en cuenta (1) y (2), el LHC puede ser rellenado unas 100000 veces con solo un  centímero cúbico de gas – y solo se precida rellenarlo dos veces al día!

Los protones salen del Duoplasmatrón por una apertura de ~ 1 mm2 y ya poseen una velocidad del 1,4% de la velocidad de la luz, i.e., ~ 4000 km/s

 

Son enviados al cuadrupolo de RF -QRF- de 750 kV donde son focalizados y acelerados para entrar a continuación en el acelerador lineal (LINAC2) que los acelera hasta los 50 MeV.

Una pequena botella de uso industrial de hidrógeno contiene unos 5 kg de este gas. Entonce la cantidad de moléculas es:

n =  5000/2 = 2500 moles

2500  x 6·1023 = 1.5·1027 moléculas

N = 2 x 1.5·1027 = 3·1027 átomos

Teniendo en cuenta que el proceso de ionización genera un 70% de protons, tenemos:

  0,7 x 3·1027 = 2.1 ·1027átomos

Considerando (1), esta botella podrá ser utilizada:

2.1·1027 / 6  ·1014= 3.5·1012  veces

Dado que el LHC es llenado cada diez horas, nuestra botella podrá durar:

10 x 3.5·1012  = 3.5·1013 horas

Es decir, unos 4 ·109 años

Con toda seguridad el gas hidrógeno escapará de la botella más ràpido.


Una nova fuente (proporcionando en este caso H-) estará en operación en el nuevo acelerador lineal, Linac4, que entrará en funcionamiento en 2017-18.


Pero no solo los protones son para el LHC.

De hecho la cantidad utilizada por el es un porcentaje muy pequeño del total. Los siguientes datos son referidos a los protones proporcionados para los diferentes experimentos del CERN en 2012.


Tomado de Rolf Heuer en el CERN General Meeting Enero 2013


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