LHC

Acercándonos al LHC

LHC es el más potente de los aceleradores de partículas del mundo y está ubicado en el CERN sobre la frontera franco-suiza.

Utiliza parte de la estructura del anterior acelerador LEP, con una circunferencia de 27 km y situado a una profundidad media de 100 m bajo tierra.
 
En la sección FÍSICA EN EL LHC presentamos os principais parámetros do LHC. Aquí, introducimos en breve algúns deles.
 

L A R G E (Gran) :

El tamaño de un acelerador está relacionado con la máxima energía obtenible. En el caso de un colisionador circular, esa energía es función del radio de la máquina y de la intensidad del campo magnético dipolar que "dirige" las partículas en sus órbitas. El LHC utiliza algunos de los más potentes dipolos magnéticos y cavidades de radiofrecuencia que existen.
 

Las dimensiones del tunel, imanes, cavidades y otros elementos importantes de la máquina, representan los principales condicionamientos que determinan el diseño del acelerador, para lograr una energía de 7 TeV por protón. Hay ocho ascensores para bajar al túnel, y aún  que se trata de un viaxe con una sola parada lleva un minuto completo realizar el descenso (o ascenso). Para moverse entre los ocho puntos de acceso los científicos y técnicos usan bicicletas, a veces para recorrer varios kilómetros. El LHC es automáticamente operado desde la sala de control central, y unha vez está en marcha solamente ingenieros y técnicos tienen acceso al túnel para labores de mantenimiento.


H A D R O N (Hadrón):

En el LHC se aceleran dos haces (beam) de partículas del mismo tipo, sean protones o iones de Pb, que pertenecen a la familia de los hadrones.

Un hadrón, es una partícula compuesta de quarks y que "siente" la interacción fuerte. Ejemplos de hadrones son los protones y los neutrones.

Hay dos tipos de hadrones: los bariones (formados por tres quarks, como los protoens y neutrones) y los mesones (formados por un quark y un antiquark, como los piones y los mesones B).

 

C O L L I D E R (Colisionador):

Un colisionador (máquina en la que haces de partículas colisionan circulando en sentidos contrarios) tiene una gran ventaja sobre aceleradores donde los haces colisionan con un blanco estacionario.

Cuando dos haces colisionan, la energía de la colisión es la suma de las energías de los dos haces:

(√s = 2·E)  -->   E =2·Ebeam

 (más información aquí... )

 En el LHC la enerxía total de colisión de diseño es:

E =14 TeV


Como ya se ha indicado, el LHC ha sido instalado en un túnel  yaexistente donde  ya estuvo funcionando el anterior gran colisionador, LEP. Este túnel tiene un diámetro de 3.0 m. Tomando como aproximación que a sus dimensións son semejantes a las de un túnel recto del mismo diámetro.

Calculemos su volumen:

V = π·r2 ·L  ⇒  V = π·1,52·27000 ⇒  V = 191000 m3

La masa de roca excavada para formar el túnel, tomando 5000 kg/m3 de densidade media. 

M= d·V    ⇒  M = 5000·191000  ⇒  M = 10 6 toneladas

76 piscinas olímpicas podrían ser llenadas con esa roca extraida.


En los tubos por los que los haces viajan, se necesita un alto vacío. La presión en el interior de algunos sectores es del orden de una cien billonésima de atmósfer (10-9 Pa).

Los protones van "empaquetados" en grupos (bunches) de 7,48 cm de longitud y con 1 mm2  de sección, cuando están lejos de zonas de interacción, y de 16 x16 μm en las zonas de interacción (detectores).

Con esta sección se podrán alcanzar un número de colisiones de:

1034  por  cm2 y segundo (luminosidade).

 
Los paquetes (bunches) de protones distan entre sí 7,5 m.  Considerando que se mueven a la velocidad de la luz, podemos calcular otro importante parámetro:
tiempo entre bunches = 7,5/3·108
Bunch spacing = 2,5·10-8 s
 
Bunch spacing = 25 ns

Por otra parte, con una circunferencia de 27 km debería haber:

26659 / 7,5 ~ 3550  bunches.

Sin embargo, para permitir una correcta secuencia de bunches inyectados en el anillo, y poder insertar nuevos "paquetes", cuando son extraídos otros que ya no son operativos, es necesario disponer de espacio suficiente Para una más completa discusión haz click aquí...).

El número efectivo de "bunches" es de 2808.

Por tanto la ratio de "bunches con protones" es: f = (2808/3550) ~ 0,8
 
Cuatro instantáneas del perfil del haz de protones.

Como hay 11245 cruces por segundo, tendremos:

11245 x 2808 ~ 32 millones de cruces/s , que es el llamado "average crossing rate "

Y con una media de 20 colisiones por cruce, tedremos que el número de colisiones por segundo es

20 x 32 millones de cruces/s  600 millones colisión/s

Si considerasemos los 3550 bunches teóricos: 11256 x 3550 = 40 millones de cruces  ⇒ 40 MHz
Discusión más completa aquí...

 
 

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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