Imanes e Detectores II

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 LHCb ALICE.

 

O IMÁN DO LHCb 

O sistema magnético do detector LHCb é un imán clásico (warm magnet) quen non require por tanto de enfriamento crioxénico

O sistema magnético consiste en dúas bobinas trapezoidais dobradas 45° nos extremos transversais soportadas por un núcleo de ferro “window-frame".  O obxectivo do sistema é separar as partículas cargadas creadas nas colisións p-p para permitir a medida dos momentos lineais das mesmas. As colisións prodúcense xusto detrás do imán, segundo a figura que hai de seguido. O fluxo magnético xerado polos dous bobinados é conformado e guiado por estenúcleo de ferro, producindo un campo magnético vertical en medio dos dous cableados. O núcleo consiste en dúas partes horizontais perpendiculares ao plano de cada bobinado, e dúas verticais que pechan as liñas de fluxo.

A forma do sistema está de acordo cos ángulos de saída das partículas creadas que son de interese para este experimento.

A elección dun imán clásico débese a que permite un rápido aumento do valor do campo, síncrono co dos dipolos do LHC, así como fáciles inversións da polaridade do campo. 

Por razóns de costes e fiabilidade, o aluminio foi elexido como material condutor para as bobinas. O deseño do condutor basease nunha sección cadrada de 50 x 50 mm2 cunha zona central furada de 24 mm de diámetro para a auga de refrixeración. A intensidade de corrente que circula é de 5800 A.

Cada bobina está composta de laminados individuais ("pancakes"), os cales están conectados estruturalmente en paralelo e electricamente en serie. Cada laminado está formado por un único condutor de 290 m de lonxitude que da lugar a una única estrutura formada por 15 voltas.

Por tanto, cada volta ten unha lonxitude media de:

290:15 ≈ 19,3 m

Tomaremos cada bobina como un solenoide circular equivalente de raio: 

r = 19.3/2π   ⇒  r = 3 m

Cada unha das dúas bobinas (ver figura seguinte) consta de 15 estructuras laminares que se repiten 15 veces cada unha.

En total tenemos:

15x15=225 voltas. 

Cada conductor ten un ancho de 5 cm, polo que o tamaño transversal da bobina é:

15 x 0.05=0.75 m

Tendo en conta todos estes datos, podemos facer algúns cálculos para el sistema magnético: 

No centro de cada solenoide o valor de B é:

B = μ0·N·I/L     B = (4π·10-7·225·5800)/0.75

B ≈ 2 T

Se nos alonxamos dese centro ese valor de B creado por cada bobina decrece. A contribución de ambas as dúas bobinas no centro do sistema global da lugar a un valor de B no eixe vertical igual a:

B ≈ 1.1 T


O valor de B ao longo do eixe transversal, Z, (que vai de atrás a adiante na figura anterior, e que corresponde á dirección dos feixes de protóns) vene dado pola figura seguinte:

O valor z=0 corresponde ao punto de colisións p-p, detrás do imán. O valor máximo (B ~ 1,1 T) corresponde ao centro do sistema magnético (z ~ 485 cm).

 


Volvendo a cada bobina, temos:

φ = N·B·S ⇒ φ = 225·2·(π·32) ⇒ φ ≈ 12700 Wb

With, φ = L·I      L = 12700/5800 ⇒ L ≈ 2 H

 enerxía almacenada é:

E = ½·L·I2 ⇒  E = ½·2· 58002  ⇒   E ≈ 34 MJ


O IMÁN CENTRAL DE ALICE.

O sistema magnético central do detector ALICE é un solenoide clásico (warm magnet) que no requiere por tanto de arrefriamento crioxénico, oo que si é preciso para os imáns dos detectores ATLAS e CMS que usan correntes superconductoras. Este solenoide formou xa parte do anterior acelerador LEP, constituindo a parte magnética do detector chlamado L3. Hai que aclarar que o de solenoide clásico é un xeito de falar, dado que se trata dun dispositivo dun tamaño, peso e campo magnético xenerado excepcionais. De feito, en 1997 pasou a formar parte do Libro Guiness dos Récords como o máis grande dos imáns nese momento.

Na Figura vemos, en sección de corte, como é o sistema que constitúe o corpo del solenoide, que ten unha forma octogonal. Dentro dese solenoide está o chamado "barril central" no que se atopan unha boa parte dos subdetectores de ALICE.

Hai que indicar que adxacente a esta parte central do detector, onde se encontra o solenoide, existe outro subdetector, o espectrómetro de muóns (cun enorme dipolo magnético) que ten por misión estudar os muóns creados en determinados eventos de interese (ir á figura do detector para velo á dereita do solenoide).

El objetivo de este dispositivo magnético es separar las partículas cargadas creadas en las colisiones entre iones de Pb para permitir la medida de los momentos lineales de las mismas. Las colisiones se producen justo antes del imán, de forma que las partículas creadas que avanzan hacia el interior del "barril central" serán separadas dependiendo de sus características,y así pueden ser detectadas independientemente por los diferentes subdetectores.

El solenoide tiene un radio interior de 5.93 m y una longitud total de 11.90 m. Está constituido por un cableado plano de aluminio conformado en 28 agrupamientos de seis cables cada uno. Cada paquete supone 40 toneladas de material. El sistema está alimentado por una corriente de 31 kA A a 150 V dc, siendo refrigerado por agua. Un núcleo de hierro dulce (con un 0,5 % de carbono) que lo rodea y soporta tiene además la misión de guiar el flujo magnético, tanto en los polos como en el interior del sistema. En total estamos hablando de una estrutura magnética de 5600 toneladas.

Si tenemos 28 agrupamientos de 6 cables cada uno, se trata en total de un solenoide de:

N = 28 × 6 = 168 vueltas

A efectos de simplificar el cálculo tomaremos el solenoide como cilíndrico. En el centro del mismo el valor de es:

 

Si tenemos 28 agrupamientos de 6 cables cada uno, se trata en total de un solenoide de:

N = 28 × 6 = 168 vueltas

A efectos de simplificar el cálculo tomaremos el solenoide como cilíndrico. En el centro del mismo el valor de es:

O valor do campo magnético B no centro do solenoide é:

B = μ0·N·I/L  ⇒   B = (4π·10-7·168·31000)/11.9

B ≈ 0,55 T

El campo magnético de la Tierra tiene un valor de 0,5 gauss, es decir 5·10-5 T, y por tanto unas once mil veces más pequeño que el que hay en el interior de ALICE.

Se trata de un campo magnético con dirección axial, en la misma dirección que la de las partículas colisionantes y que por tanto no produce ninguna desviación en ellas. Si embargo, cuando la colisión genera nuevas partículas que salen en direcciones transversales, la fuerza de Lorentz creada por B actua produciendo deflexiones que son diferentes según los momentos correspondientes de cada partícula. El conjunto de detectores insertados en el interior del solenoide detectarán esas nuevas partículas deflectadas por B, y así podrán ser registradas para que se pueda interpretar el evento producido.

Tamén podemos calcular o valor do fluxo magnético:

φ = N·B·S ⇒ φ = 168·0,5·(π·5,932

φ ≈ 10200 Wb

O coeficiente de autoinducción será , φ = L·I   ⇒   L = 10200/31000 

L ≈ 0,33 H

Finalmente, a enerxía almacenada  no sistema é:    

E = ½·L·I2 ⇒  = ½·0,33· 3100002 

E ≈ 160 MJ

Para ter idea deste valor, calculemos a enerxía dun Boeing 747 a plena carga (330 toneladas) movéndose en pista a uns 110 km/h (~31 m/s):

Ec = ½·m·v2 ⇒  E = ½·330·103· 302  ⇒  E ≈ 160 MJ

No é preciso engadir comentario algún.

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 |

···