Achegándonos ao LHC

INICIO CERN LHC DETECTORES FÍSICA NO LHC MODELO ESTÁNDAR LIGAZÓNS

-

 LHC DESEÑO
 


No LHC os protóns coliden en choques frontais para acadar enerxías nunca antes obtenidas a esa escala. O colisor está situado nun túnel de case que 27 km de perímetro circular (r = 4243 m) e a uns 100 metros baixo terra.

O túnel comeza preto do CERN (Meyrin), continúa case no pé do macizo do Jura, segue baixo a campiña francesa, pasa ao lado do aeroporto de Xenebra e volta de nova ao CERN (Meyrin).


O LHC non é un círculo perfecto. Está formado por oito arcos e oito ‘insercións’. Consiste en oito arcos de 2.45 km de lonxitude, e oito seccións rectas de 545 m de longo.

Os arcos conteñen os dipolos magnéticos, 154 en cada arco. Unha inserción é unha sección recta máis dúas (unha en cada lado) rexións de transición — as chamadas ‘dispersion suppressors’. O exacto deseño de cada sección recta depende do uso específico da inserción: Física (colisións nun experimento), inxección, descarga dos feixes ou limpeza dos mesmos.

Cada arco, cunha estrutura regular, contén 23 "arc cells" de 106.9 m lonxitude , e cada un destes consiste nunha FODO structure (imáns dipolares principais + imáns cuadrupolares + outros imáns multipolares).

Un sector defínese como a parte da máquina entre dous puntos de inserción. Os oito sectores son as unidades de traballo do LHC: a instalación dos imáns realízase sector por sector, todas as tarefas cos diferentes constituintes tamén se fai sector por sector e todos os dipolos magnéticos dun sector están conectados en serie e constitúen o mesmo sistema criostático. Cada sector é desde o punto de vista enerxético independente.

Un octante comeza no medio dun arco e finaliza no medio do seguinte, e "conten" unha inserción total. Por tanto, cada octante define unha zona diferente segundo se estea guiando aos feixes de partículas cara a súa inxección, unha colisión, a súa descarga ou a súa limpieza.


O LHC proporciona colisións protón–protón cunha enerxía no centro de masas de 14 TeV e un moi alto número de colisións por segundo e por cm2 (Luminosidade).Co fin de acadar estes valores, o colisionador opera con 2808 paquetes de protóns (bunches) en cada feixe e unha moi alta intensidade (1.15 × 1011 protóns por bunch); isto require máis de 9000 imáns superconductores de diferentes tipos.

DIPOLOS SUPERCONDUCTORES

O reto máis notable no LHC son os 1232 dipolos super-conductores, que operan de forma continua producindo un campo constante de 8.33 T (100000 veces o campo magnético da Terra), coa posibilidade de acadar un valor máximo de 9 T.

O sistema superconductor opera en helio superfluído a 1.9 K. Feixes de núcleos de Pb-208 serán tamén acelerados, colisionando cunha enerxía de 1150 TeV.

Cada ión de Pb-208 chega á colisión con 1150/2 = 575 TeV.

Entón, a enerxía por nucleón será: 575/208 = 2,76 TeV

Nas colisións existirán as condicións necesarias para que aparezan novas (e quizais inesperadas) partículas elementais.


DETECTORES

Catro detectores teñen sido construídos en sendas enormes cavernas. Eles recollen os datos producidos como resultado das colisións. Os detectores (tamén chamados experimentos) son: ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), CMS (the Compact Muon Solenoid), ALICE (A Large Ion Collider Experiment) e LHCb (study of physics in B-meson decays at LHC).

Ademais, hai outros dous experimentos: TOTEM (Total Cross Section, Elastic Scattering and Diffraction Dissociation at the LHC), LHCf (Large Hadron Collider forward), e MoEDAL  (the Monopole and Exotics Detector At the LHC). 


CLEANING.

A alta luminosidade do LHC implica condicións de almacenamento, aceleración e feices de partículas nunca antes acadadas. A densidad de enerxía do feixe de partículas é 1000 veces máis alta que a lograda en calquer outro colisionador de protóns. Unha moi pequela fracción del haz almacenadoes suficiente para provocar "quenching" (ver máis abaixo) en uno de los dipolos superconductores del LHC o incluso destruir partes del acelerador. Téñase presente que unha fracción de 10-5 do feixe nominal do LHC pode dañar unha superficie de cobre. A enerxía do feixe de protóns do LHC é suficiente para fundir case que1 tonelada de cobre!


Un poderoso sistema colimador protexe ao acelerador contra as inevitables e regulares pérdidas de protóns. Dúas seccións rectas, IR3 e IR7, están adicadas ao "beam cleaning".

Estas dúas seccións son das máis radiactivas áreas do LHC, e están equipadas cuns 50 imáns colimadores funcionando con corrente convencional e operando nun rango de campo entre 0.09 T a 1.53 T.

As traxectorias dos dous feixes son separadas horizontalmente de 194 mm a 224 mm na zona de inserción do sistema colimador.


DUMPING.

O sistema de descarga dos feixes de partículas (beam dumping) do LHC está designado para realizar una rápida extracción dos feixes de partículas desde el acelerador con mínimas pérdidas.

As partículas son entón levadas a uns bloques que están ubicados en sendas cavernas ao final dunha líñaa de baleiro duns 700 m.

Cando é momento de extraer os feixes (tamén en caso de urxencia), éstos son desviados fora do anel por un sistema magnético que os envía aos bloques de descarga.

Un sistema na liña de baleiro de "dispersión enerxética " horizontal provoca que o deixe tome unha forma de "e" na entrada do bloque de descarga para rebaixar o impacto enerxético sobre o bloque.
Este é o único elemento no LHC que pode resistir o impacto do feixe completo.
O bloque é un cilindro de grafito de 8 m de lonxitude e 1 m de diámetro no que se vai difundir a cascada hadrónica que se xera no seu longo volumen.


Quenching” aparece cando unha parte dun imán pasa de condicións de superconductividade a un estado resistivo normal.

Os "quenches" inícianse con enerxías duns poucos mJ cando a temperatura crítica ou a corrente crítica é superada, por movementos nos superconductures (fricción e disipación de calor), fallos crioxénicos, e obviamente por pérdida do feixe que impacta contra o sistema crioxénico. Entón, a deposición de enerxía nol cableado superconductor provoca o fin das condicións de superconductividade cun aumento progresivo da temperatura por efecto Joule.

Para protexer os imáns superconductores:
.- O "quenching" debe ser detectado: unha voltaxe aparece sobre o bobinado (R ~ 0 a R > 0).
.- A enerxía liberada é distribuída sobre todo o imán usando os chamados "quench heaters" (de forma que todo o imán entra en quenching).
.- A corrente no imán ten que ser cortada en << 1 segundo.

O quenching é un perigo real pois como se xa se ten indicado, unha moi pequena fracción do feixe (10-6) basta para xeralo.

Un dipolo en "quenching" require unha descarga dos feixes nunha soa volta, polo queos 14 TeV (720 MJ) se disipan  en 89 ms!
Un erro na descarga dos feixes expón aos compoñentes do acelerador a serios riscos de radiación.




© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO | Deseño orixinal de Gabriel Morales Rey