Multipolos magnéticos

Acercándonos al LHC

Además de curvar correctamente la trayectoria de los protones, es también preciso focalizarlos. En efecto, dado que los protones se repelen entre ellos, el haz de protones tiende a diverger y por tanto a chocar con las paredes interiores del tubo. La consiguiente deposición de energía podría causar la pérdida de las condiciones de superconductividade en el imán ("quench").

Esta focalización se consigue con cuadrupolos magnéticos, los cuales actúan sobre el haz de partículas cargadas (protones en este caso) de la misma forma que las lentes lo hacen sobre la luz (por eso se habla de "óptica magnética").
 

 

Así, imaginemos que las partículas positivas (protones en el LHC) vienen desde la derecha de la imagen.

El primer cuadrupolo toma el control sobre la dirección horizontal del haz contrayéndolo, mientras que el segundo cuadrupolo hace lo propio con la dirección vertical.

Así, los dos cuadrupolos trabajando conjuntamente mantienen a los protones estrechamente empaquetados para que el mayor número de colisiones pueda ocurrir.

Los que focalizan en el plano horizontal son llamados QF y los que lo hacen en el vertical son referidos como QD.

 

En los arcos ña máquina contiene alternadamente cuadrupolos QF y QD, por lo que el efecto global es mantener el haz enfocado.

El efecto alternativo de focalización provoca en los protones una oscilación alrededor del centro del tubo. El número de oscilaciones por vuellta es conocido como Q o "tune" (afinación).

Hay un total de 858 cuadrupolos magnéticos.


Pero hay muchos protones, y cada uno tiene una enerxía ligerísimamente diferente que el resto, seguiendo una trayectoria específica. Por tanto, diferentes valores de Q son precisos. Los cambios de Q con la energía se llaman cromaticidad, y los sextupolos son los encargados de esta tarea.


Además, otra serie de multipolos ayudan en la focalización y aseguran las correcciones necesarias debidas a otras interacciones como la gravitatoria sobre los protones, la electromagnéticas entre paquetes, las creadas por nubes de electrones que se asocián desde las paredes de los tubos, etc.

Sextupolo, tienen por funcion corregir la cromaticidad, es decir corrige a las particulas con energias diferentes  a la nominal.

Multipolos (en la figura octupolo) para correcciones no lineales.

See more about the diferents types of magnets in LHC.

 

La figura siguiente muestra el agrupamento multipolar magnético básico (FODO-cell), de 110 m , en el LHC. En el acrónimo FODO la F representa la focalización vertical del haz y la desfocalización horizontal: la D expresa la focalización horizontal y la desfocalización vertical, y la O representa espacio libre de campo magnético o un imán deflector. El resultado sobre el haz de partículas es una trayectoria oscilante a traves del sistema FODO

Los dipolos y cuadrupolos mantienen en órbitas estables a los protones con la energía correcta, mientras que ñlos sextupolos corrigen las trayectorias de los protones que tienen energías ligeramente diferente a la deseada. Los otros multipolos compensan las imperfecciones del campo magnético.


Además de los imanes ya citados hemos de considerar los llamados "Inner triplets" que son los encargados de modificar la trayectoria paralela de los dos haces para que se crucen en el punto de interacción de cada detector. Bajo la acción de este imán, cada "bunch" es compactado para lograr la mayor densidad posible en el punto de colisión. Así, se pasa de una sección de 0,2 mm lejos del detector a 16 micras en el momento del cruce (Interaction Points IP).
- at IP (ATLAS, CMS)     16 μm
- in the triplets         ~1.6 mm
- in the arcs              ~0.2 mm
 

 



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. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Juan de la Cierva", Spanish Postdoctoral Junior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor 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). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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