Fuente de protones

Acercándonos al LHC

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

(Un nuevo sistema estará funcionando en el Linac4 despues del Long Shutdown 2  2019-2020)

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.

Podemos simplificar el proceso así:

H2 + e-  →  H2+ + 2e-

H2+ + e-  →  H+ + H + e-

H + e-  →  H+ + 2e-


 H2   →   2 H+ + 2e-

 Para cada haz del LHC, necesitamos:

2808 bunches x 1.15·1011 = 3·1014  protones por haz

o el doble,  1014  protones para los dos haces   (1)

Un solo centímetro cúbico de gas hidrógeno a temperatura ambiente contiene

con  P = 105 Pa   ,,   V = 10-6 m3   ,,   T=293 K

 usando   P·V = n·R·T  -   

n = 4·10-5 moles    ,,    N = 4·10-5 x 6·1023 = 2.4·1019 moléculas  

Por tanto 5·1019 átomos of hidrógeno      (2)

Teniendo en cuenta (1) y (2), el LHC puede ser rellenado unas 100000 veces con solo un  centímero cúbico de gas – y solo se precida rellenarlo dos veces al día!

Los protones salen del Duoplasmatrón por una apertura de ~ 1 mm2 y ya poseen una velocidad del 1,4% de la velocidad de la luz, i.e., ~ 4000 km/s

 

 
Son enviados al cuadrupolo de RF -QRF- de 750 kV donde son focalizados y acelerados para entrar a continuación en el acelerador lineal (LINAC2que los acelera hasta los 50 MeV.
 

Una pequena botella de uso industrial de hidrógeno contiene unos 5 kg de este gas. Entonce la cantidad de moléculas es:

n =  5000/2 = 2500 moles

2500  x 6·1023 = 1.5·1027 moléculas

N = 2 x 1.5·1027 = 3·1027 átomos

Teniendo en cuenta que el proceso de ionización genera un 70% de protons, tenemos:

  0,7 x 3·1027 = 2.1 ·1027átomos

Considerando (1), esta botella podrá ser utilizada:

2.1·1027 / 6  ·10143.5·1012  veces

Dado que el LHC es llenado cada diez horas, nuestra botella podrá durar:

10 x 3.5·1012  = 3.5·1013 horas

Es decir, unos 4 ·10años

Con toda seguridad el gas hidrógeno escapará de la botella más ràpido.


Una nova fuente (proporcionando en este caso H-) estará en operación en el nuevo acelerador lineal, Linac4, que entrará en funcionamiento en 2017-18.

 


1.34 x 1020 protóns fueron entregados al complejo acelerador en 2016. Esto puede parecer un enorme número, pero en realidad corresponde a una minúscula cantidad de materia, aproximadamente el número de protones de un grano de arena. De hecho, los protones son tan pequenos que esa cantidad es suficiente para abastacer a los experimentos. El LHC usa solo una muy pequeña parte de esa cantidad, menos del 0.1%, como se muestra en el siguiente diagrama:

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  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior 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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NOTA IMPORTANTE

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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