Imanes y Detectores I

Acercándonos al LHC

La Fuerza de Lorentz juega otro muy importante papel en el LHC. Es la responsable de curvar la trayectoria de las nuevas partículas creadas después de la colisións de los protones.

Dependiendo de la carga eléctrica, masa y energía, las partículas serán separadas por la fuerza magnética de formas diferentes, pudiendo así ser analizadas separadamente.

En la imagen vemos la simulación de la creación de una partícula de Higgs con la aparición final de dos fotones que no son, obviamente, afectados por el campo magnético del detector.

Cada detector tiene su propio diseño para ese campo magnético, y vamos a continuación a echarle una mirada a CMS y ATLAS.

 

 

El detector CMS (Compact Muon Solenoid) es un instrumento de 12500 toneladas (el núcleo de hierro -en rojo en la imagen- del sistema magnético contiene más hierro que la Torre Eiffel).

El imán está formado por tres partes: la bobina superconductora, el tanque de vacío y e núcleo de hierro. La bobina produce el campo axial mientras que el núcleo es el responsable del retorno del flujo magnético en la parte exterior del solenoide. Este retorno del flujo es el que conforma el conjunto de líneas de fuerza que llenan el detector en todo su volumen paralelamente al eje, y que curvarán las trayectorias de las partículas que se produzcan debido a las colisiones en el centro del detector.
 

 

El Solenoide consiste en 5 módulos de 2,5 m de largo cada uno.

Cada módulo está formado por un cilindro de aluminio con cuatro capas internas de embobinado, de 109 vueltas cada una. 

Por tanto :  N = 5·4·109 = 2180 voltas.

La longitud total del solenoide es: 
L = 5·2,5 m = 12,5 m

La intensidad de corriente es :   I = 19500 A.

Por tanto:

B = μ0·N·I/L       B ≈ 4 T

 

Podemos calcular la Inductancia del Solenoide del detector CMS .

El solenoide tiene 2180 vueltas, el campo magnético es de 3,8 T y la superficie es: S = π·32 = 28,3 m2.

Por tanto, el Flujo magnético a través de la superficie es:

φ = N·B·S     φ = 2180·3,7·28,3      φ ≈ 230 kWb

Con,    φ = L·I   ⇒ L = 230000/19500      L  12 H

Estamos hablando de una energía almacenada en el solenoide de:

E = ½·L·I2      E ≈ 2,3 GJ
equivalente a media tonelada de TNT.
 

El detector ATLAS (A Toroidal LHC Apparatusofrece un sistema híbrido de cuatro imanes superconductores: un solenoide central rodeado por 2 toroides extremos (End-cap) y unsistema toroidal "de barril" (BT). Las dimensiones de este sistema magnético son 20 m de diámetro y 26 m en longitud. Con sus cerca de 2 GJ de energía almacenada, es realmente el imán superconductor más grande del mundo.

El solenoide central, de 5.5 toneladas de peso, 2.5 m de diámetro y 5.3 m de largo, proporciona un campo magnético axial de 2 T en el centro del área de tracking de ATLAS. Dado que este solenoide precede al calorímetro electromagnético de argon-líquido (LAr), su espesor debe ser el mínimo posible para permitir la máxima respuesta del calorímetro. Contiene 9 km de cables superconductores enfriados por helio líquido y circula por él una corriente eléctrica de 8000 A.

Con 7 km de cables superconductores tenemos

Nº de vueltas = 7000/(π·2,5)=1142 vueltas

 

De  B = μ0·N·I/L    B = (4π·10-7·1142·8000)/5,3    B ≈ 2 T

φ = N·B·S ⇒ φ = 1142·2·( π·1,252)    φ ≈ 11200 Wb

Con, φ = L·I     L = 11200/8000 ⇒ L ≈ 1,4 H

La energía almacenada por el solenoide es:    E = ½·L·I2 ⇒ E ≈ 44,8 MJ

ATLAS posee también un enorme sistema magnético toroidal superconductor (Barrel Toroid - BT) con unas dimensiones de 25 m largo y 22 m de diámetro. Este sistema toroidal proporciona el campo magnético para las áreas de detección muónica. El toroide está compuesto por 8 estructuras de 25m x 5m por donde circulan . corrientes superconductoras de 20500 A.

Su masa total es de 850 t.

 

Cada una de esas estructuras tiene una longitud de (25+25+5+5) ~ 60 m. Tomando los 100 km de cables superconductores podemos considerar que el número de vueltas equivalentes del toroide es:

Nº equivalente-vueltas = 100000/60      Nº vueltas ≈ 1670 
De  B = μ0·N·I/L     B = (4π·10-7·1670·20500)/(2π·8,5) 

B ≈ 1 T

φ = N·B·S ⇒ φ = 1670·1·( 25·5) ⇒ φ ≈ 208750 Wb

Con, φ = L·I      L = 208750/20500 ⇒ L ≈ 10,2 H

La energía almacenada es   E = ½·L·I2 ⇒ E ≈ 2 GJ
 

La velocidad de despegue del Airbus 380 es de alrededor de 280 km/h (~78 m/s) , bajo condiciones típicas, y su máximo peso en el despegue es de unas 600 toneladas.

Por tanto, su energía cinética en ese momento es:  
EC = ½·m·v2   ⇒  EC = ½·600000·782    
 EC ~ 2 GJ
(sin comentarios)

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL


NOTA IMPORTANTE

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

···