Aceleradores em Física de Partículas

Aceleradores de Partículas

Aceleradores em Física de Partículas

Luis Peralta

FCUL e LIP


Porquê acelerar as partículas ?

A energia é transformada em massa na colisão

E às vezes acontecem surpresas!

E = mc2

1

1

1

2

2

cv

3Aceleradores de Partículas

Um mosquito:

m ~ 2,5 mg

v ~ 0,5 m/s => Ec ~ 6,3 x 10-7 J = 4 TeV

Energia do feixe

Unidade de Energia – electrão-volt (eV)

1 eV = 1,602 x 10-19 joule

Múltiplos mais usados em Altas Energias keV MeV GeV TeV

(103) (106) (109) (1012)

Massa protão ~ 1 GeV/c2

Feixe de protões LHC

E ~ 7 TeV


Experiências de alvo fixo

ACELERADOR

Alvo de protõesAlvo de protões DETECTOR

Protão com

energia E

Energía útil = Energía no centro de massa

Feixes com alta intensidade

Alvo pode ser escolhido

Mau aproveitamento da energia do feixe (menos de 10%)

EcmE pcm22


Colisionadores

Energia útil = Energia no centro de massa

ACELERADOR

Protão com

energia E

Ecm = 2·E

ACELERADOR

Protão com

energia E


Colisionadores vs. Alvo Fixo

ALVO FIXOALVO FIXO

COLISIONADORESCOLISIONADORES

ENERGIA FEIXEENERGIA FEIXE

EN

ER

GIA

DE

CE

NT

RO

DE

MA

SS

AE

NE

RG

IA D

E C

EN

TR

O D

E M

AS

SA


Número de Eventos

Luminosidade: medida da intensidade do feixe

Lt

NEventos Luminosidade

Secção Eficaz

Luminosidade para LHC 10-25 cm2109 eventos/s 1034 cm-2s-1


Número de Eventos

Alta Luminosidade Implica:

1. Alta corrente no feixe

2. Muitos pacotes de partículas

3. Tamanho pequeno do feixe

No. Pacotes

Partículas por pacote

Frequência

Área do feixe


Energia contida nos feixes de LHC

Nº pacotes = 2808

Protões / pacote = 1011

E = 2 x 2808 x 1011 x 7 TeV ~ 4x1015 TeV ~ 0,6 GJ

0,6 GJ é a energia cinética de um TGV à velocidade de 200 km/h !


Esquema básico do acelerador de partículas

Fonte de partículas

Transporte

Aceleração

Extracção -> Experiência

Transporte


Fontes de Partículas

Só conseguimos acelerar partículas

com carga eléctrica F=qEPor efeito termo-iónico podemos obter electrões livres

Canhão de electrões do cinescópio de um televisor


Fontes de partículas

Cathode

Gas in

Anode

Plasma

protons out (~300 mA)

Duoplasmatron from CERNs Linac-Homepage


Como acelerar as partículas?

Força de Lorentz

E(t) aumenta a energía B(t) modifica a trajectória

)( BvEqF


Aceleradores Electroestáticos

A ideia é criar uma diferença de potencial suficientemente elevada para acelerar as cargas eléctricas até energias elevadas

- +

V

Ep = eV

Ee-


Aceleradores Electroestáticos - Van de Graaff: 1930

E < 10 MeV

Van de Graaff do campus Jussieu em Paris

Interior do primitivo Van de Graaff do Laboratório de Sacavém


Aceleradores Electroestáticos – Cockcroft-Walton: 1932

U

2U

4UEscada de multiplicação de tensão

Vout= 2n U

Pré-injector do LINAC2 (750 keV) no CERN. Foi substituído em 1993


Aceleradores Lineares

Fonte

~

l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7

Wideroe - 1928

O feixe é descontinuo (pacotes)L1<L2<L3… Para se obter uma energia elevada são necessário grandes comprimentos Fonte RF


Tornando os aceleradores mais compactos

Aceleracão Linear

Aceleração Circular


vqBr

mv2

=

r

v=ω

m2

qB

=f frequência

do ciclotrão

O ciclotrão

força centripeta = força Lorentz

E. Lawrence 1929


desenhos de Dave Judd e Ronn MacKenzie

O ciclotrão visto por...


Sincrociclotão e ciclotrão isócrono

m

qBf

2Para partículas relativistas a frequência de ciclotrão varia com a velocidade > 1

Para manter as partículas em fase com o potencial acelerador no hiato dos D com o aumento da energia das partículas é necessário:

Variar B com o raio :ciclotrão isócrono

Variar a frequência f do gerador de RF:sincrociclotrão


Sincrotrão

O feixe ganha energia em cada volta São necessários imanes dipolares para curvar o feixe O campo B e a energia do feixe variam sicronizadamente. Os elementos aceleradores (cavidades de RF) podem estar

distribuídos por todo o anel (LEP) ou localizados num ponto

(LHC)

vqBr

mv2

=qr

mvB

r[m] 0,3

p[GeV/c]B[T]

R=const.

relativista


Radiação de sincrotrão

A radiação emitida pelas partículas sujeitas à aceleração centripeta limita a energia que é possível alcançar

Em LEP (90 GeV), os electrões/positrões perdiam quase 1 MeV em cada volta em forma de raios gama.

Os protões de LHC (7000 GeV) perderão só 0.04 keV por volta

LEP Electrões E=90 GeV => =180000

LHC Protões E=7 TeV => =7000

= E/m

rE

3


Leptões vs. Hadrões

Leptões: (e- / e+)Partículas Elementares

Energia muito bem definida

Experiências de precisão

Hadrões: (p- / p+)Colisiões múltiplas

Dispersão de EnergiaExperiências com grande potencial de descoberta

p+

p+

quarks


Componentes principais de um colisionador


Injecção

Cadeia de injecção do LHC no CERN


Confinamento – Anel de armazenamento

Órbita de referência

Imanes

Curvatura: Dipólos Focalização: Quadrupólos

Uma partícula carregada circulando no tubo de feixe (perpendicular ao plano do slide) será desviada para a esquerda ou direita conforme o sinal da sua carga.

Uma partícula positiva dirigida para fora do plano do slide focaliza no plano vertival e desfocaliza no plano horizontal. A força é proporcional à distância ao centro.

)( BvEqF


LHC - Dipolos

B = 8.33 TI = 13000 A

Construção 2 em 1

Temperatura de trabalho ~1.9 K

1232 criodipolos de 15 m de comprimento


Energia Magnética

A energia armazenada no dipolos e quadrupolos

principais do LHC é análoga à energia cinética do porta-aviões USS Kitty Hawk

quando se desloca a 55 km/h

Quando as coisas não funcionam…!


Sistema de Focalização

Um gradiente de focalização alternado (focalização-desfocalização no plano horizontal-vertical) dá um efeito global focalizante

Dipólos

QuadrupólosNo quadrupólo quanto maior é a distância ao centro maior é o desvio sofrido pela partícula


Aceleração

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

-4000 -2000 0 2000 4000

time from start of injection (s)

dip

ole

cu

rre

nt (A

)

injecção

colisiões

Aceleração

circulação

rampa

início rampa

tempo a partir da injecção(s)


Aceleração – Cavidades RF

Órbita de referência

As partículas atrasadas veêm um campo eléctrico maior

As partículas avançadas veêm um campo eléctrico menor

A cavidade funciona como um circuito ressonante

As partículas surfam na onda RF


Aceleração – Cavidades RF do LHC


ExtracciónRF

CMS

ATLAS

LHC-BALICE

InjectionInjection

Momentum Beam Cleaning (warm)

IR7: Betatron Beam Cleaning (warm)

Beam dump blocks


Agradecimentos

Vários slides / figuras foram retirados das apresentações de:

Antonio Vergara (CERN – CIEMAT) “Introducción a los Aceleradores de Partículas”, 2007

Elena Wildner (AT/MCS) “Introduction to Accelerators”, 2007

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