Introducci ón a los Aceleradores de Partículas Sesión 1

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


¿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


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


Qué Necesitamos: 2 – Eventos

La Luminosidad

][][ 212 cmscmLtN

Eventos LuminosidadSección Eficaz

Buscando el Higgs

10-25 cm2109 eventos/s 1034 cm-2s-1


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


Aceleradores de Partículas: Esquema Básico

1. Fuente de partículas

2. Transporte

3. Aceleración

4. Transporte

5. Experimento


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%)


Colisionadores

Energía útil = Energía del centro de masas

ACCELERATORACCELERATORACCELERATORACCELERATOR

DETECTORDETECTOR

Particle with Particle with

energy energy EE


energy energy EE


mass mass mm

LuminosidadNecesita altísima focalización Experimento dentro del acelerador2 haces de partículas – 2 opciones: ∞ 2 aceleradores

∞ AntipartículasEfectos Beam-Beam

Ecm = 2·E


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


Colisionadores – Una Simulación


Fundamentos - La Historia


Fundamentos de la Aceleración

Fuerza de Lorentz

E(t) incrementa la energía B(t) modifica la trayectoria


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


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





Electrones a 400 MeVFermilab (Chicago) 1971 actualizado en 1993

SLAC (Stanford Linear Accelarator) Palo Alto, San Francisco, 1970Electrones a 20 GeV en 2 millas


Aprovechando el Espacio…

Aceleración Lineal

Aceleración Circular


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


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…


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…


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


¿Leptones o Hadrones? ¿Lineales o Circulares?


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


Física del Haz – El Colisionador Circular


Principales componentes de un colisionador


1. Inyección

Cadena de inyección del LHC en el CERN


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


2. Confinamiento – Sistema de Focalización

Un gradiente de focalización alternado da un efecto gobal focalizante

Diseño de un sincrotrón: Celda F-O-D-O


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.

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