Acercándonos al LHC

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 LHC DISEÑO
 


En el LHC los protones colisionan en choques frontales para alcanzar energías nunca antes obtenidas a esa escala. El colisionador está situado en un túnel de casi 27 km de perímetro circular (r = 4243 m) y a unos 100 metros bajo tierra.

El túnel comienza cerca del CERN (Meyrin), continua casi acercándose al macizo del Jura, sigue bajo la campiña francesa, pasa al lado del aeropuerto de Ginebra para volver al CERN (Meyrin).


El LHC no es un círculo perfecto. Está formado por ocho arcos y ocho ‘inserciones’. Consiste en ocho arcos de 2.45 km de longitud, y ocho secciones rectas de 545 m de largo.

Los arcos contienen los dipolos magnéticos, 154 en cada arco. Una inserción es una sección recta más dos (una en cada lado) regiones de transición — las llamadas ‘dispersion suppressors’. El exacto diseño de cada sección recta depende del uso específico de la inserción: Física (colisiones en un experimento), inyección, descarga de los haces o limpieza de los mismos.

Cada arco, con una estructura regular, contiene 23 "arc cells" de 106.9 m de longitude, y cada uno de estas "células" consiste en una FODO structure (imanes dipolares principales + imanes cuadrupolares + otros imanes multipolares).

Un sector es definido como la parte de la máquina entre dos puntos de inserción. Los ocho sectores son las unidades de trabajo del LHC: la instalación de los imanes se realiza sector por sector, todo el trabajo con las diferentes partes también se hace sector por sector y todos los dipolos magnéticos de un sector están conectados en serie y constituyen el mismo sistema criostático. Cada sector es desde el punto de vista energético independiente.

Un octante comienza en el medio de un arco y finaliza en el medio del siguiente y "contiene" una inserción total. Por tanto, cada octante define una zona diferente según se está guiando a los haces de partículas hacia su inyección, una colisión, su descarga o su limpieza.


El LHC proporciona colisiones protón–protón con una energía en el centro de masas de 14 TeV , y un muy alto número de colisiones por segundo y por cm2 (Luminosidad).Con el fin de obtener estos valores, el colisionador opera con 2808 paquetes de protones (bunches) en cada haz y una alta intensidad (1.15 × 1011 protones por bunch); esto requiere más de 9000 imanes superconductores de diferentes tipos.

DIPOLOS SUPERCONDUCTORES.

El reto más notable en el LHC son los 1232 dipolos superconductores, que operan de forma continua produciendo un campo constante de 8.33 T (100000 veces el campo magnético de la Tierra), con la posibilidad de acadar un valor máximo de 9 T.

El sistema superconductor opera en helio superfluido a 1.9 K. Haces de núcleos de Pb-208 serán también acelerados, colisionando con una enerxía de 1150 TeV.

Cada ión de Pb-208 llega a la colisión con 1150/2 = 575 TeV.

Por tanto, la energía por nucleón es: 575/208 = 2,76 TeV

En las colisiones existirán las condiciones necesarias para que aparezcan nuevas (y quizás inesperadas) partículas elementales.


DETECTORES.

Cuatro detectores han sido construidos en sendas enormes cavernas. Ellos recogen los datos producidos como resultado de las colisiones. Los detectores (también llamados experimentos) son: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (the Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) y LHCb (study of physics in B-meson decays at LHC).

Además, hay otros dos experimentos: TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC), LHCf (Large Hadron Collider forward) y  MoEDAL  (the Monopole and Exotics Detector At the LHC).


totem

CLEANING.

La alta luminosidad del LHC implica condiciones de almacenamiento, aceleración y haces de partículas nunca antes alcanzadas. La densidad de energía del haz de partículas es 1000 veces más alta que la lograda en cualquier otro colisionador de protones. Una muy pequeña fracción del haz almacenado es suficiente para provocar "quenching" (ver más abajo) en uno de los dipolos superconductores del LHC, o incluso destruir partes del acelerador. Téngase presente que una fracción de 10-5 del haz nominal del LHC puede dañar una superficie de cobre. La energía del haz de protones del LHC es suficiente para fundir casi 1 tonelada de cobre!


Un poderoso sistema colimador protege al acelerador contra las inevitables y regulares pérdidas de protones. Dos secciones rectas, IR3 e IR7, están dedicadas al "beam cleaning".

Estas dos secciones son de las más radiactivas áreas del LHC, y están equipadas con unos 50 imanes colimadores funcionando con corriente convencional y operando en un rango de 0.09 T a 1.53 T.

Las trayectorias de los dos haces son separadas horizontalmente de 194 mm a 224 mm en la zona de inserción del sistema colimador.


DUMPING.

El sistema de descarga de los haces de partículas (beam dumping) del LHC está designado para realizar unha rápida extracción de los haces de partículas desde el acelerador con mínimas pérdidas. Las partículas son entonces llevadas a unos bloques que están ubicados en sendas cavernas al final de una línea de vacía de unos 700 m.

Cuando es momento de extraer los haces (también en caso de urgencia), éstos son desviados fuera del anillo por un sistema magnético que los envía a los bloques de descarga.

Un sistema en la línea de vacío de "dispersión energética" horizontal provoca que el haz tome una forma de "e" a la entrada del bloque de descarga para rebajar el impacto energético sobre el bloque.
Este es el único elemento en el LHC que puede resistir el impacto del haz completo.
El bloque está hecho de grafito y tiene forma cilíndrica con 8 m de longitud y 1 m de diámetro, en el que se dispersa la cascada hadrónica generada en su largo volumen.


 Quenching” aparece cuando una parte de un imán pasa de condiciones de superconductividad a un estado resistivo normal.

Los "quenches" se inician con energías de unos pocos mJ cuando la temperatura crítica o la corriente crítica es superada, por movimientos en los superconductures (fricción y disipación de calor), fallos criogénicos, y obviamente por pérdida del haz que impacta contra el sistema criogénico. Entonces, la deposición de energía en el cableado superconductor provoca el fin de las condiciones de superconductividad con un aumento progresivo de la temperatura por efecto Joule.

Para proteger los imanes superconductores:
.- El "quenching" debe ser detectado: un voltage aparece sobre el bobinado (R ~ 0 a R > 0).
.- La energía liberada es distribuida sobre todo el imán usando los llamados "quench heaters" (de forma que todo el imán entra en quenching).
.- La corriente en el imán tiene que ser cortada en << 1 segundo.

El quenching es un peligro real pues como se ha ya comentado, una muy pequeña fracción del haz (10-6) basta para generarlo.

Un dipolo en "quenching" requiere una descarga de los haces en una sola vuelta, por lo que los 14 TeV (720 MJ) se disipan en 89 ms!
Un error en la descarga de los haces expone a los componentes del acelerador a serios riesgos de radiación.




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