Achegándonos ao LHC - Radiación sincrotrón

Radiación Sincrotrón

Achegándonos ao LHC

A Radiación Sincrotrón é, dun xeito sinxelo, radiación procedente de partículas cargadas que se moven a velocidades relativistas baixo un campo magnético uniforme. É o equivalente da radiación ciclotrón e toma o nome dos aceleradores relativistas. Cando os ciclotróns son suficientemente poderosos para lanzar ás partículas preto da velocidade da luz, a frecuencia orbital desa partícula cambia. Precísase sincronizar os parámetros do acelerador para que se adapte a esos cambios. Temos entón un acelerador sincrotrón. As partículas sometidas a unha traxectoria permanentemente curvada emiten radiación: a radiación sincrotrón.

ALBA (SPAIN)

Instalacións que usan a radiación sincrotrón están en funcionamiento en diversos lugares do mundo como fontes moi valiosoas de fotóns UV e R-X, para investigación estrutural.

ALBA é a instalación española ubicada en Cerdanyola del Vallès, preto de Barcelona.

No universo créanse electróns relativistas que son atrapados en campo magnéticos diversos. Os obxectos cósmicos que emiten radiación sincrotrón nesas condicións son moi interesanteno campo da Astrofísica.

Sen embargo, nos aceleradores de partículas circulares, como o LHC, esta radiación supón un serio problema. As partículas cargadas viaxando en traxectorias curvadas emiten esta radiación, e xa que logo perden enerxía. Ademais, esa radiación constitúe un problema para todos os sistemas do acelerador (en particular a crioxenia) e tamén desde o punto de vista da seguridade radiolóxica.

As cavidades RF deben restituir esa enerxía perdida polas partículas.

Por revolución, a potencia perdida é:

(donde ρ é o radio)

É importante destacar que dado que ϒ = E/m₀·c², os electróns perden enerxía 10¹³ vecesmáis rápido que os protóns. Esta é unha das razóns de que no LHC corran protóns, e que o posible acelerador de electróns do futuro (CLIC ou ILC) será un acelerador lineal.

Obteñamos ρ en función doutros parámetros do acelerador e sustituamos o seu valor na expresión anterior:

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

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

A enerxía perdida por volta (1 s = 11245 voltas), é dicir a chamada Synchrotron radiation loss/turn:

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

ou, en keV: ~ 10 keV/volta

Doutra banda, para cada feixe: P_beam = 1,90·10^-11·1,15·10¹¹· 2808 ⇒ P_beam ≃ 6135 W

Finalmente, a enerxía perdida por segundo e metro é:

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

Para minimizar as perdas de enerxía diminuíndo o número de partículas debemos ter en contaque a luminosidade varía cuadráticamente con este valor. Entón, se reducimos o número de partículas para baixar a potencia radiada, a luminosidade decrecerá con moito maior rapidez.

O xeito de reducir o número total de partículas sen comprometer a luminosidade consiste en incrementar o espazo entre bunches -bunch spacing- (utilizar menos bunches) e compensar esta reducción aumentando o número de protóns en cada bunch.

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, ata o seu retiro en 2020. 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 Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC

Detector CMS

Detector ATLAS