Achegándonos ao LHC - Forza de Lorentz

Forza de Lorentz

Achegándonos ao LHC

1232 dipolos magnéticos (de 14,3 m de lonxitude e unhas 35 toneladas) colocados ao longo do túnel proporcionarán aos protóns, que viaxarán polo interior en sendos tubos de baleiro, a forza centrípeta necesaria para mantelos na traxectoria curva do acelerador ao seu paso polos oito arcos do LHC.

Un moi enxeñoso deseño do campo magnético en cada dipolo xera un campo Ben cada tubo con igual dirección pero sentido contrario ao campo B no tubo veciño.

Esta configuración coñécese como:

2-in-1

Máis detalles.

Como xa foi indicado, a misión do campo magnético é curvar a traxectoria dos protóns. Isto faise grazas a que a forza magnética (Forza de Lorentz) é sempre perpendicular a velocidade dos protóns.

Ambos vectores B actuando en sentidos contrarios sobre protóns que viaxan tamén en sentidos contrarios xera unha forza co mesmo sentido sobre tódolos protóns. Ese sentido está sempre dirixido cara o centro do acelerador, sendo, como xa se ten dito, a forza centrípeta que mantén a todos os protóns na traxectoria correcta.

Dos cálculos previos para a forza centrípeta podemos agora obter o valor necesario para B.

Dado que F_c é a Forza 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 o campo magnético terrestre)

Se o LHC levase dipolos magnéticos tradicionais (non superconductores), precisaríanse 120 km de lonxitude para acadar a mesma enerxía e o consumo eléctrico sería enorme.

O campo magnético dipolar conséguese grazas a un cableado superconductor que proporciona a intensidade de corrente necesaria. Cada cable está feito do trenzado de 28 e 36 fíos segundo sexa na capa interior (coil inner layer) ou exterior (coil outer layer) arredor de cada tubo.

Ademais, cada un deses fíos de 6 e 7 mm de diámetro (capa interior e exterior sobre o tubo) están feitos de filamentos de Nb-Ti que van introducidos nunha matriz de cobre. Durante a operación, esa zona de cableado está 1.9 K, para garantir as condicións de superconductividade necesaria para que se acaden os 8,33 T. Os protóns circulan en traxectoiras planas ao longo dos 14.3 m activos de cada dipolo.

As dúas traxectorias están separadas na maior parte do acelerador LHC por 194 mm, que é a distancia nominal entre os dous tubos no dipolo. Nas cavidades de radiofrecuencia a distancia entre tubos é de 420 mm, e nos detectores ámbolos dous feixes antagonistas viaxan por un único tubo.

AUTORES

Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) pola Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembroe de 2015. Estivo vencellado ao Depto de Física de Partículas da USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), e Profesor Contratado Doutor. Desde 2023 é Profesor Titular de Universidade nese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, foi catedrático de Fïsica e Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física, licenciado en Química, e Doutor pola 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