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Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Introducción a los Aceleradores de PartículasSesión 1
Antonio Vergara
(CERN – CIEMAT)
Ginebra, 25-26 de Julio 2007
Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
¿Qué Queremos? ¿Qué Necesitamos? ¿Qué Hacemos?
3Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Qué Necesitamos: 1 – Densidad de Energía
Unidad de Energía – Electronvolt (eV)
1 eV = 1.602 · 10-19 Joule
Energía en el Haz vs. Energía de las Colisiones
7 TeV LHC Proton 7 TeV LHC Haz Mosquito Volando
0.7 GJoule
4Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Qué Necesitamos: 1 – Densidad de Energía
0.7 GJ almacenados en los hacesdel LHC:∙ Calentar y derretir ~ 1 Tm Cobre∙ AVE a más de 100 km/h
Pero…
Las energía desprendida en las colisiones no es mayor
que la de una cerilla
5Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Qué Necesitamos: 2 – Eventos
La Luminosidad
][][ 212 cmscmLtN
Eventos LuminosidadSección Eficaz
Buscando el Higgs
10-25 cm2109 eventos/s 1034 cm-2s-1
6Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Qué Necesitamos: 2 – Eventos
Alta Luminosidad Implica:
1. Alta corriente en el haz
2. Muchos paquetes de partículas
3. Pequeño tamaño del haz
No. Paquetes
Particulas por paquete
Frecuencia
Sección del haz
7Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aceleradores de Partículas: Esquema Básico
1. Fuente de partículas
2. Transporte
3. Aceleración
4. Transporte
5. Experimento
8Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Experimentos de Blanco Fijo
ACELERADORACELERADOR
BLANCOBLANCO
DETECTORDETECTOR
Partícula con Partícula con
energía energía EE
Partícula con Partícula con
masa masa mm
Energía útil = Energía del centro de masas
LuminosidadSencillezBlanco variableExperimento separado del acelerador
Mal aprovechamiento de la energía del proyectil (menos del 10%)
9Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Colisionadores
Energía útil = Energía del centro de masas
ACCELERATORACCELERATORACCELERATORACCELERATOR
DETECTORDETECTOR
Particle with Particle with
energy energy EE
Particle with Particle with
energy energy EE
Particle with Particle with
mass mass mm
LuminosidadNecesita altísima focalización Experimento dentro del acelerador2 haces de partículas – 2 opciones: ∞ 2 aceleradores
∞ AntipartículasEfectos Beam-Beam
Ecm = 2·E
10Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Colisionadores vs. Blanco Fijo
BLANCO FIJOBLANCO FIJO
COLISIONADORESCOLISIONADORES
ENERGÍA PROYECTILENERGÍA PROYECTIL
EN
ER
GÍA
DE
L C
EN
TR
O D
E M
AS
AS
EN
ER
GÍA
DE
L C
EN
TR
O D
E M
AS
AS
13Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Fundamentos de la Aceleración
Fuerza de Lorentz
E(t) incrementa la energía B(t) modifica la trayectoria
14Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aceleradores Electroestáticos, Van Der Graaff: 1930
Al principio… todo consistía en acumular voltaje
+- +U = x MV
E = x MeV
Acelerador tandem Van de Graaff de la Universidad de Michigan
< 10 MeV
15Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aceleradores Lineales
Fuente
~
l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7
Wideroe - 1928
El haz tiene que ser discontinuo: Paquetes (bouches)L1<L2<L3… PERO: para i elevadas Li ≈ Li+1
Principal limitación: Longitud – Aceleradores muy largos
17Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aceleradores Lineales
Electrones a 400 MeVFermilab (Chicago) 1971 actualizado en 1993
SLAC (Stanford Linear Accelarator) Palo Alto, San Francisco, 1970Electrones a 20 GeV en 2 millas
18Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aprovechando el Espacio…
Aceleración Lineal
Aceleración Circular
19Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Ciclotrón
Cliclotrón de protones en PSI (Zurich)
La frecuencia de revolución sólo esconstante mientras la masa no varíe.
Partículas relativistas: Sincro-ciclotrón
B, f → ConstanteR ∝ Velocidad
20Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Sincrotrón
El haz gana energía en cada vuelta Son necesarios imanes dipolares para curvar el haz El campo magnético y la energía del haz varían sincronizadamente La aceleración (RF) puede estar distribuida por todo el anillo (LEP) o localizada en un punto (LHC) En teoría el haz podría quedar almacenado indefinidamente y su energía vendría limitada solo por la potencia de los imanes, PERO…
21Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Límites del Sincrotrón
1. En un acelerador de leptones (e.g. e-, e+) Radiación de Sincrotrón
En el LEP (100 GeV), los electrones y positrones perdían casi 1 MeV en cada vuelta en forma de rayos gamma Los protones del LHC (7000 GeV) perderán sólo 0.04 keV por vuelta, PERO…
22Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Límites del Sincrotrón
2. En un acelerador de hadrones (e.g. p-, p+)
En los sincrotrones de hadrones como el LHC la dificultad no reside en incrementar la energía de las partículas (mínimas pérdidas por giro) sino en mantenerlas en la órbita (dipolos).
Haz LHC → 7000 GeV
Tunel LEP → Radio: 3500 m → Radio arcos: 2784 m
→ Saturación Hierro: 2 T→ B tierra: 0.00003 T
Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
¿Leptones o Hadrones? ¿Lineales o Circulares?
24Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Aceleradores de Leptones vs. Aceleradores de Hadrones
Leptones: (e- / e+)Partículas Elementales
Energía muy bien definida
Experimentos de precisión
Hadrones: (p- / p+)Colisiones múltiples
Energía dispersa
Descubrimientos
p+
p+
quarks
Regla general
En la física de altas energías a todo gran acelerador de hadrones le sigue uno de similar energía de leptones para hacer las medidas precisas de los descubrimientos realizados por el primero:
SPS (p- p+) → LEP (e- e+)
LHC (p+ p+) → CLIC (e-)
Lineal
Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Física del Haz – El Colisionador Circular
26Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
Principales componentes de un colisionador
27Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
1. Inyección
Cadena de inyección del LHC en el CERN
28Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
2. Confinamiento – Storage Ring
Órbita de referencia
Imanes
Curvatura: Dipolos Focalización: Cuadrupolos
Una partícula cargada viniendo hacia nosotros girará a izquierda o derecha según el signo de su carga
Una partícula positiva viniendo hacia nostros se focalizará en el plano vertical y defocalizará en el horizontal. La fuerza es proporcional a la distancia al centro
29Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
2. Confinamiento – Sistema de Focalización
Un gradiente de focalización alternado da un efecto gobal focalizante
Diseño de un sincrotrón: Celda F-O-D-O
30Introducción a los Aceleradores de Partículas - Antonio Vergara
2. Confinamiento - Oscilaciones
De las ecuaciones del péndulo simple:
Envolvente Emitancia Función betatrónica
Idealmente, todas las trayectorias de las partículas están confinadas por una función: la raíz cuadrada de la función betatrónica y la emitancia.
La emitancia, una medida del tamaño del haz y las divergencias de las partículas, viene limitado por la cadena de inyección.