LHC en marcha

Acercándonos al LHC


La fuente de protones  (proton source) es donde todo comienza en el CERN.

(Una nueva fuente de iones estará en operación en el Linac4 en 2017-18)

Para "fabricar" los protones, se inyecta gas hidrógeno dentro dun cilindro de metal, -Duoplasmatron- para que un campo eléctrico disocie los átomos en protones y electrones. Este proceso da lugar a un 70 % de protones.

Los protones sometidos a una ddp de unos 100 kV enviados para ser acelerados y focalizados por el Cuadrupolo de Radio Frecuencia (QRF), de donde salen con 750 keV. Son enviados a continuación al acelerador lineal (LINAC2que los acelera hasta los 50 MeV. Los protones cruzan el LINAC2 en unos pocos microsegundos.
 
El Linac2 será reemplazado por un nuevo acelerador linealLinac4, en 2017-18.

 

Fuente de Protones

 

Cuadrupolo de RF  - 90 KeV

 

LINAC2 - 50 MeV

 

LINAC4 - 160 MeV


La línea de conexión desde el Linac2 al PSB  tiene una longitud de 80m.  20 cuadrupolos magnéticos focalizan el haz de protones y otros 10 imanes lo curvan y dirigen, tardando menos de un microsegundo en ser inyectados en el acelerador circular de 628 m Proton Synchrotron(PS) donde serán acelerados hasta los 25 GeV.
En el  PS los protones pueden o ser acelerados/manipulados/extraidos en 1025 ms, o esperar 1.2 segundos más antes de ser acelerados si forman parte del primer paquete inyectado desde el PSB.
Después son enviados al acelerador circular de 7 km Super Proton Synchrotron (SPS) donde esperarán 10.8, 7.2, 3.6, o cero segundos si forman parte del primer segundo, tercer, o cuarto paquete inyectado desde el PS al SPS. El SPS los acelera hasta 450 GeV en 4.3 segundos, y los envía al LHC.

 

PS Booster    1.4  GeV

 

Proton Synchrotron 25  GeV

 

Super PS   450 GeV

Por tanto, el tiempo que va desde la fuente de protones hasta el SPS está entre:

0.53 + 1.025 + 4.3 = 5.86 segundos

y

0.53 + 1.2 + 1.025 + 10.8 + 4.3 = 17.86 segundos


Los protones son transferidos al LHC (en los dos sentidos), en 12 "superciclos" de 234 paquetes, con un tempo de llenado de 4’20’’.

En el LHC los protones tienen que esperar hasta 20 minutos en el nivel energtico de 450 GeV de inyección antes de los 25 minutos necesarios para sere acelerados hasta los  7 TeV. Esos 45 minutos dominan el tiempo de tránsito.

LHC   7 TeV (proton)

(2,76 TeV/nucleón iones de Pb)


LHC en vivo


Los dos haces de partículas permanecen en el colisionador, a máxima enerxía, unas 10 horas , es el llamado "beam lifetime" (tiempo de vida del haz). En ese tiempo, los protones habrán realizado cuatrocientos millones de revoluciones dentro de la máquina. 

En cada vuelta, un cierto número de protones son perdidos. Esto es debido a la eficacia limitada de los sistemas magnéticos que controlan los haces, interacción con las moléculas del gas residual en los tubos de vacío, interacción culombiana con los protones que vienen en sentido contrario en las zonas de colisión, son algunas de las razones de estas pérdidas de partículas del haz. Además, se produce la interacción, también culombiana, entre los protones que forman los paquetes (bunches) que conforman el haz. Como los protones oscilan ligeramente alrededor de su trayectoria circular, pueden entrar en contacto con otros protones del mismo paquete, pudiendo haber modificaciones en sus momentos lineales que provocan su inestabilidad. Los sistemas multipolares magnéticos no podrán corregir esos cambios, generándose la pérdida de esas partículas en el tubo de vacío. Esto es lo que se conoce como efecto Touschek, en honor al físico austríaco Bruno Touschek.

Estos movimientos caóticos pueden llegar al extremo de descontrolar el haz, lo que provocaría trasferencia de energía sobre el sistema criogénico que implicaría la pérdida de las condiciones de superconductividad (quenching), lo que tendría muy negativas consecuencias. Por ello, vaciar los tubos (dumping) se hacer necesario, para inyectar desde el SPS una nueva colección de paquetes en el LHC.

Así que después de 10 h de colisiones, el haz de partículas debe ser extraído. El campo magnético de los dipolos magnéticos baja hasta los 0.54 T, permaneciendo así entre 20–40 min.  En este período de tiempo el proceso de inyección es repetido y los dipolos vuelven a alcanzar los 8.3 T para iniciarse otro ciclo de colisiones a alta energía. La máquina está diseñada para soportar unos 20000 ciclos de este tipo en 20 anos de vida útil, y además entre 20–30 ciclos térmicos.

 

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  ("Juan de la Cierva", Spanish Postdoctoral Junior 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).

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