Fonte de protóns

Achegándonos ao LHC

A fonte de protóns (proton source) é onde todo comeza no CERN.

(un novo sistema estará funcionando no Linac4 despois do Long Shutdown 2  2019-2020)

Para "fabricar" os protóns, inxéctase gas hidróxeno dentro dun cilindro de metal -Duoplasmatron- para que un campo eléctrico disocie os átomos en protóns e electróns. Este proceso da lugar a un 70 % de protóns.

Podemos simplificar o proceso así:

H2 + e-  →  H2+ + 2e-

H2+ + e-  →  H+ + H + e-

H + e-  →  H+ + 2e-


 H2   →   2 H+ + 2e-

Para cada feixe do LHC, necesitamos:

2808 bunches x 1.15·1011 = 3·1014   protóns por feixe

ou o dobre,  1014  protóns para os dous feixes   (1)

Un só centímetro cúbico de gas hidróxeno a temperatura ambiente contén

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  

Polo tanto 5·1019 átomos de hidróxeno      (2)

Tendo en conta (1) e (2), o LHC pode ser reenchido unhas 100000 veces con só un  centímero cúbico de gas – e só se precida reenchelo dúas veces ao día!

Os protóns saen do Duoplasmatrón por unha apertura de ~ 1 mm2 e posúen xa unha velocidade do 1,4% da velocidade da luz, i.e., ~ 4000 km/s
 
 
Son enviados ao cuadrupolo de RF -QRF- de 750 kV onde son focalizados e acelerados para entrar a continuación no acelerador lineal (LINAC2que os acelera ata os 50 MeV.
 

Unha pequena botella de uso industrial de hidróxeno contén uns 5 kg deste gas. Entón a cantidade de moléculas é:

n =  5000/2 = 2500 moles

2500  x 6·1023 = 1.5·1027 moléculas

N = 2 x 1.5·1027 = 3·1027 átomos

Tendo en conta que o proceso de ionización xera un 70% de protóns, temos:

  0,7 x 3·1027 = 2.1 ·1027átomos

Considerando (1), esta botella poderá ser utilizada:

2.1·1027 / 6  ·10143.5·1012  veces

Dado que o LHC é enchido cada dez horas, a nosa botella poderá durar:

10 x 3.5·1012  = 3.5·1013 horas

Logo, uns 4 ·10anos

Con toda seguridade o gas hidróxeno escapará da botella máis ràpido.


Como xa foi dito ao comezo desta páxina, unha nova fonte (proporcionando neste caso H-) estará en operación no novo acelerador lineal, Linac4.


1.34 x 1020 protóns foron entregados ao complexo acelerador en 2016. Isto pode sonar como un enorme número, pero en realidade corresponde a unha minúscula cantidade de materia, aproximadamente o número de protóns dun gran de area. De feito, os protóns son tan pequenos que esa cantidade abonda para abastacer aos experimentos. O LHC usa só unha moi pequena parte desa cantidade, menos do 0.1%, como se mostra no seguinte diagrama:

 

Tomado do Annual Report 2016 - CERN Document Server

 

 

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


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

···