Tomado de Accelerator Report: Exploring potential performance increases (por Rende Steerenberg)

Haz del LHC: Esquema estándar o BCMS

A lo largo de los años, los equipos responsables de la cadena de inyectores de protones del LHC (Linac 4, PS Booster, PS y SPS) han desarrollado varios esquemas de producción para el haz del LHC, impulsando el rendimiento del haz y explorando su potencial para aumentar las colisiones en el LHC.

Consideramos aquí dous modos: o Estándar e o BCMS (Beam Compression, Merging and Splitting / Compresión, fusión y división de haz).

Modo estándar do LHC.

El haz estándar se produce inyectando en el PS tres bunches (paquetes de protones) procedentes del PS Booster. Después de una aceleración inicial, el PS divide cada bunch longitudinalmente  en tres (véase la explicación al final de la página), resultando nueve bunches. A continuación, estos nueve bunches se aceleran hasta la máxima energía del PS, donde cada bunch se divide en dos, y de nuevo en dos, dando como resultado 36 bunches, cada uno espaciado 25 ns (ver Figura 1).

Figura 1: Esquema de producción estándar. Las tres bandas de la parte inferior del diagrama representan los tres bunches del PS Booster inyectados en el PS. La banda central muestra la división en tres, mientras que la banda superior muestra la doble división en dos, lo que da como resultado 36 bunches. (Imagen: CERN)

El SPS recibe tres de estos 36 bunches del PS y los acelera hasta una energía de 450 GeV antes de inyectarlos en el LHC en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Esto significa que un bunch del PS Booster da lugar a 12 bunches en el LHC. El número de protones por bunch (denominado intensidad) requerido por el LHC es de 16 x 10¹⁰. Teniendo en cuenta la división en 12, esto significa que el número de protones por bunch que el PS Booster tiene que inyectar en el PS es 12 veces mayor que la intensidad del bunch del LHC, es decir, 192 x 10¹⁰ protones por bunch.

Modo BCMS del LHC.

El haz BCMS se produce inyectando seis bunches en el PS: tres de un primer ciclo y tres, 1.2 segundos más tarde, de un segundo ciclo. Tras una aceleración inicial, estos seis bunches se comprimen y se fusionan, en parejas dando lugar a tres bunches, que se dividen a su vez en tres bunches cada uno. El resto de este esquema de producción es idéntico al esquema de producción estándar, que también da como resultado 36 bunches espaciados 25 ns. Con este esquema, se manipulan seis bunches para obtener 36 bunches, lo que da un factor de división de seis. Por tanto, para obtener una intensidad de bunch de 1.6 x 10¹⁰ protones para el LHC, el PS Booster necesita proporcionar sólo 96 x 10¹⁰ protones por bunch (ver Figura 2).

Figura 2: Esquema de producción de BCMS. En la parte inferior del diagrama se pueden ver los seis paquetes inyectados desde el PS Booster. Estos bunches se comprimen en pares de dos y luego se fusionan en tres bunches, tras lo cual cada bunch se divide en tres. En la parte superior de la imagen, se aplica la misma división doble en dos, como en el esquema de producción estándar, lo que da como resultado 36 bunches. (Imagen: CERN)

¿Cómo es posible que el haz BCMS provoque más colisiones en el LHC si contiene el mismo número de protones que un haz estándar?

El haz BCMS tiene un mayor brillo, lo que significa que contiene el mismo número de protones pero en un haz de menor tamaño. Este menor tamaño del bunch es el resultado de la menor intensidad por bunch en el PS Booster.

El reto es preservar esta mayor luminosidad cuando el haz es acelerado en todas las máquinas de la cadena de inyectores del LHC y en el propio LHC. Durante la aceleración en el LHC, el tamaño del haz parece aumentar ligeramente más con el esquema BCMS que con el esquema de haz estándar.

La comparación basada en datos permitirá decidir cual esquema de producción se debe seguir.

Bunch splitting, una explicación:

En el mundo de los aceleradores de partículas, nos centramos en dos dimensiones espaciales principales: transversal y longitudinal.

El plano transversal se refiere a los movimientos horizontales (izquierda-derecha) y verticales (arriba-abajo) de las partículas. Cuando hablamos del tamaño del haz transversal, medimos la anchura y la altura del haz en estas direcciones.

El plano longitudinal es el plano a lo largo de la trayectoria del acelerador, utilizado para medir la longitud de los bunches y el espaciado entre ellos.

La división del bunch consiste en dividir un bunch de partículas en dos o tres bunches más cortos a lo largo del plano longitudinal. El tamaño transversal de los bunches individuales permanece inalterado.