Imáns e Detectores I

Achegándonos ao LHC

A Forza de Lorentz xoga outro moi importante papel no LHC. É a responsable de curvar a traxectoria das novas partículas creadas despois da colisións dos protóns nos detectores.

Dependendo da carga eléctrica, masa e enerxía, as partículas serán separadas pola forza magnética de xeitos diferentes, podendo así seren analizadas separadamente.

Na imaxe vemos a simulación da creación dunha partícula de Higgs coa aparición final de dous fotóns que non son, obviamente, afectados polo campo magnético do detector.

Cada detector ten o seu propio deseño para ese campo magnético, e imos axiña a botarlle unha ollada a CMS ATLAS.

 

 

detector CMS (Compact Muon Solenoid) é un instrumento de 12500 toneladas (o núcleo de ferro -en vermello na imaxe- do sistema magnético contén máis ferro que a Torre Eiffel).

O imán está formado por tres partes: a bobina superconductora, o tanque de baleiro e o núcleo de ferroA bobina produce o campo axial mentres que o núcleo é responsable de retorno do fluxo magnético na parte exterior do solenoide. Este retorno do fluxo é o que conforma o conxunto de líñas de forza que enchen o detector en todo o seu volume paralelamente ao eixe, e que curvarán as trayectorias das partículas que se produzan debido ás colisións no centro do detector.
 

 

O Solenoide consiste en 5 módulos de 2,5 m de longo cada un.

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

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

A lonxitude total do solenoide é: 
L = 5·2,5 m =12,5 m

A intensidade da corrente é :   I = 19500 A.

Logo, finalmente:

B = μ0·N·I/L        B ≈ 4 T

 

Podemos calcular Inductancia do Solenoide do detector CMS .

O solenoide ten 2180 voltas, o campo magnético é de 3,8 T e a superficie é: S = π·32 = 28,3 m2.

Por tanto, o Fluxo magnético ao través da superficie é:

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.
 

O detector ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) ofrece un sistema híbrido de catro imáns superconductores: un solenoide central rodeado por 2 toroides extremos (End-cap) y unsistema toroidal "de barril" (BT). As dimensións deste sistema magnético son 20 m de diámetro e 26 m en lonxitude. Cos seus preto de 2 GJ de enerxía almacenada, é realmente o imán superconductor máis grande do mundo.

O solenoide central, de 5.5 toneladas de peso, 2.5 m de diámetro e 5.3 m de longo, proporciona un campo magnético axial de 2 T nol centro da área de tracking de ATLAS. Dado que este solenoide precede ao calorímetro electromagnético de argon-líquido (LAr), o seu espesor debe ser o mínimo posible para permitir a máxima resposta do calorímetro. Contén 9 km de cables superconductores enfriados por helio líquido e circula por él unha corrente eléctrica de 8000 A.

Con 7 km de cables superconductores tenemos

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

 

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

A enerxía almacenada polo solenoide é:    E = ½·L·I2 ⇒ E ≈ 44,8 MJ

ATLAS posúe tamén un enorme sistema magnético toroidal superconductor (Barrel Toroid - BT) cunhas dimensións de 25 m longo e 22 m de diámetro. Este sistema toroidalproporciona o campo magnético para as áreas de detección muónica. O toroide está formado por 8 estruturas de 25m x 5m por onde circulan correntes superconductoras de 20500 A.

A súa masa total é de 850 t.

 

Cada unha desas estruturas ten unha longituxe de (25+25+5+5) ~ 60 m. Tomando os 100 km de cables superconductores podemos considerar que o número de voltas equivalentes do toroide é:

Nº equivalente-voltas = 100000/60      Nº voltas ≈ 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

enerxía almacenada é   E = ½·L·I2 ⇒ E ≈ 2 GJ
 

A velocidade de despegue do Airbus 380 é arredor de 280 km/h (~78 m/s), baixo condicións típicas, e o seu máximo peso nese instante é dunhas 600 toneladas.

Polo tanto, a súa enerxía cinética nese momento é:  
EC = ½·m·v2   ⇒  EC = ½·600000·782    
 EC ~ 2 GJ

(sen comentarios)

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade 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 a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


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

···