Acercándonos al LHC - Fuerza de Lorentz

Fuerza de Lorentz

Acercándonos al LHC

1232 dipolos magnéticos (de 14,3 m de longitud y unas 35 toneladas) colocados a lo largo del túnel proporcionarán a los protones, que viajan por el interior de sendos tubos de vacío, la fuerza centrípeta necesaria para mantenerlos en la trayectoria curva del acelerador a su paso por los ocho arcos del LHC.

Un muy ingenioso diseño del campo magnético en cada dipolo genera un campo B en cada tubo con igual dirección pero sentido contrario al campo B en tubo vecino.

Esta configuración se conoce como:

2-in-1

Más detalles.

Como ya se ha indicado, la misión del campo magnético es curvar la trayectoria de los protones. Esto ocurre gracias a que la fuerza magnética (Fuerza de Lorentz) es siempre perpendicular a la velocidad de los protones.

Ambos vectores B actuando en sentidos contrarios sobre protones que viajan en sentidos contrarios genera una fuerza con el mismo sentido sobre todos los protones. Ese sentido está siempre dirigido hacia el centro del acelerador, siendo, como ya se ha dicho, la forza centrípeta que mantiene a todos los protones en la trayectoria correcta.

De los cálculos previos para a forza centrípeta podemos ahora obtener el valor necesario para B.

Dado que F_c es la Fuerza de Lorentz:

F_c = q×v×B

B = F_c /(q×v)

F = 4·10^-10 N , q = 1,602·10^-19 C and v ~ c

B ~ 8.33 T

(100000 veces el campo magnético terrestre)

Si el LHC hubiera llevase dipolos magnéticos tradicionales (no superconductores), serían necesarios 120 km de longitud para alcanzar la misma energía y el consumo eléctrico sería enorme.

El campo magnético dipolar se consigue gracias a un cableado superconductor que proporciona la intensidad de corriente necesaria. Cada cable está hecho del trenzado de 28 y 36 hilos, según sea na capa interior (coil inner layer) o exterior (coil outer layer) alredor de cada tubo.

Además, cada uno de esos hilos de 6 e 7 mm de diámetro (capa interior e exterior sobre el tubo) están hechos de filamentos de Nb-Ti que van introducidos en una matriz de cobre. Durante la operación, esa zona de cableado está 1.9 K, para garantizar las condiciones de superconductividad necesaria para que se alcancen los 8,33 T. Los protones circulan en trayectorias planas a lo largo de los 14.3 m activos de cada dipolo.

Las dos trayectorias están separadas en la mayor parte del acelerador LHC por 194 mm, que es la distancia nominal entre los dos tubos en el dipolo. En las cavidades de radiofrecuencia la distancia entre tubos es de 420 mm, ye en los detectores ambos haces antagonistas viajan por un único tubo.

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. Estuvo vinculado al Depto de Física de Partículas de la USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), y Profesor Contratado Doctor. Desde 2023 es Profesor Titular de Universidad en ese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, catedrático 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), hasta su retiro en 2020. Es Licenciado en Física, Licenciado en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).(ORCID).

CERN

CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC

Detector CMS

Detector ATLAS