Acercándonos al LHC - Radiación sincrotrón

Radiación Sincrotrón

Acercándonos al LHC

La Radiación Sincrotrón es, de forma simple, radiación procedente de partículas cargadas que se mueven a velocidades relativistas bajo un campo magnético uniforme. Es el equivalente de la radiación ciclotrón, y toma el nombre de los aceleradores relativistas. Cuando los ciclotrones son suficientemente poderosos para lanzar las partículas a cerca de la velocidade da luz, la frecuencia orbital de esa partícula cambia. Se precisa sincronizar los parámetros del acelerador para que se adapte a esos cambios. Tenemos entonces un acelerador sincrotrón. Las partículas sometidas a unha trayectoria permanentemente curvada emiten radiación: la radiación sincrotrón.

ALBA (SPAIN)

Instalaciones que usan la radiación sincrotrón están en funcionamiento en diversos lugares doelmundo como fuentes muy valiosoas de fotones UV e R-X, para investigación estructural.

ALBA es la instalación española ubicada en Cerdanyola del Vallès, cerca de Barcelona.

En el universo se crean electroness relativistas que son atrapados en campo magnéticos diversos.Los objetos cósmicos que emiten radiación sincrotrón en esas condiciones son muy interesante en el campo de la Astrofísica.

Sin embargo, en los aceleradores de partículas circulares, como el LHC, esta radiación supone un serio problema. Las partículas cargadas viajando en trayectorias curvadas emiten esta radiación, y por tanto pierden energía. Además, esa radiación constituye un problema para todos los sistemas do acelerador (en particular la criogenia) y también desde el punto de vista de la seguridad radiológica.

Las cavidades RF deben restituir esa energía radiada por las partículas.

Por revolución, la potencia perdida es:

(where ρ is the radious)

Es importante destacar que dado que ϒ = E/m₀·c², los electróns pierden energía 10¹³ veces más rápido que los protones. Esta es una de las razones de que en el LHC corran protones, y que el posible acelerador de electrones del futuro (CLIC ou ILC) será un aceleradorlineal.

Obtengamos ρ en función de otros parámetros del acelerador y sustituyamos su valor en la expresión anterior:

Para un protón: P = 4,75·10^-21 ·B² · ϒ²

con B = 8,33 T y ϒ = 7640 tenemos: P = 1,93·10^-11 W

La energía perdida por vuelta (1 s = 11245 vueltas), es decir la llamada Synchrotron radiation loss/turn:

1,93·10^-11/11245 = 1,72·10^-15 J/vuelta

o, en keV: ~ 10 keV/vuelta

Por otra parte, para cada haz: P_beam = 1,93·10^-11·1,15·10¹¹·2808⇒ P_beam ≃ 6135 W

Finalmente, la energía perdida por segundo y metro é:

P ≃ (2·6135)/26659) ⇒ P_beams ≃ 0,46 W/m

Para minimizar las pérdidas de energía disminuyendo el número de partículas debemos tener en cuenta que la luminosidad varía cuadráticamente con este valor. Entonces, si reducimos el número de partículas para bajar la potencia radiada, la luminosidad decrecerá con mucha mayor rapidez.

La forma de reducir el número total de partículas sin comprometer la luminosidad consiste en incrementar el espacio entre bunches -bunch spacing- (utilizar menos bunches) y compensar esta reducción aumentando el número de protones en cada bunch.

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).

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