Feixe do LHC: Esquema estándar ou BCMS

Achegándonos ao LHC

Tomado de Accelerator Report: Exploring potential performance increases (por Rende Steerenberg).

Ao longo dos anos, os equipos responsables da cadea de inxectores de protóns do LHC (Linac 4, PS Booster, PS e SPS) desenvolveron varios esquemas de produción para o feixe do LHC, impulsando o rendemento do feixe e explorando o seu potencial para aumentar as colisións no LHC.

Consideramos aquí dous modos: o Estándar e o BCMS (Beam Compression, Merging and Splitting / Compresión, fusión e división de feixe).



Modo estándar do LHC.

Na cadea de inxectores do LHC, o feixe estándar prodúcese inxectando no PS tres bunches (paquetes de protóns) procedentes do PS Booster. Despois dunha aceleración inicial, o PS divide cada bunch longitudinalmente en tres (véase a explicación ao final da páxina), resultando nove bunches. A continuación, estes nove bunches aceléranse ata a máxima enerxía do PS, onde cada bunch divídese en dous, e de novo en dous, dando como resultado 36 bunches, cada un espazado 25 ns (ver Figura 1).

 

Figura 1: Esquema de produción estándar. As tres bandas da parte inferior do diagrama representan os tres bunches do PS Booster inxectados no PS. A banda central mostra a división en tres, mentres que a banda superior mostra a dobre división en dúas, o que dá como resultado 36 bunches. (Imaxe: CERN)

O SPS recibe tres destes 36 bunches do PS e aceléraos ata unha enerxía de 450 GeV antes de inxectalos no LHC no sentido das agullas do reloxo ou no sentido contrario. Isto significa que un bunch do PS Booster dá lugar a 12 bunches no LHC. O número de protóns por bunch (denominado intensidade) requirido polo LHC é de 16 x 1010. @Teniendo en cuenta a división en 12, isto significa que o número de protóns por bunch que o PS Booster ten que inxectar no PS é 12 veces maior que a intensidade do bunch do LHC, é dicir, 192 x 1010 protóns por bunch.



O modo BCMS.

Neste caso inxéctanse seis bunches no PS: tres dun primeiro ciclo e tres, 1.2 segundos máis tarde, dun segundo ciclo. Tras unha aceleración inicial, estes seis bunches comprímense e fusiónanse, en parellas dando lugar a tres bunches, que se dividen á súa vez en tres bunches cada un. O resto deste esquema de produción é idéntico ao esquema de produción estándar, que tamén dá como resultado 36 bunches espazados 25 ns. Con este esquema, manipúlanse seis bunches para obter 36 bunches, o que dá un factor de división de seis. Por tanto, para obter unha intensidade de bunch de 1.6 x 1010 protóns para o LHC, o PS Booster necesita proporcionar só 96 x 1010 protóns por bunch (ver Figura 2).

 

Figura 2: Esquema de produción de BCMS. Na parte inferior do diagrama pódense ver os seis paquetes inxectados desde o PS Booster. Estes bunches comprímense en pares de dous e logo fusiónanse en tres bunches, tras o cal cada bunch divídese en tres. Na parte superior da imaxe, aplícase a mesma división dobre en dúas, como no esquema de produción estándar, o que dá como resultado 36 bunches. (Imaxe: CERN)



Como é posible que o fai BCMS provoque máis colisións no LHC se contén o mesmo número de protóns que un feixe estándar?

O fai BCMS ten un maior brillo, o que significa que contén o mesmo número de protóns pero nun feixe de menor tamaño. Este menor tamaño é o resultado da menor intensidade por bunch no PS Booster.

O reto é preservar esta maior luminosidade cando o feixe é acelerado en todas as máquinas da cadea de inxectores do LHC e no propio LHC. Durante a aceleración no LHC, o tamaño do fai parece aumentar lixeiramente máis co esquema BCMS que co esquema de feixe estándar. Os estudos do comportamento do fai e os axustes dos parámetros da máquina poden limitar este crecemento no futuro, aumentando aínda máis o número de colisións.

A comparación baseada en datos é a que permite decidir cal é o esquema a utilizar..

Bunch splitting, unha explicación:

No mundo dos aceleradores de partículas, centrámonos en dúas dimensións espaciais principais: transversal e lonxitudinal.

O plano transversal refírese aos movementos horizontais (esquerda-dereita) e verticais (arriba-abaixo) das partículas. Cando falamos do tamaño do fai transversal, medimos a anchura e a altura do fai nestas direccións.

O plano lonxitudinal é o plano ao longo da traxectoria do acelerador, utilizado para medir a lonxitude de falos e o espazado entre eles.

A división do bunch consiste en dividir un paquete de partículas en dous ou tres bunches máis curtos ao longo do plano lonxitudinal. O tamaño transversal dos bunches individuais permanece inalterado.

AUTORES

Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) pola Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembroe de 2015. Estivo vencellado ao Depto de Física de Partículas da USC como becario "Juan de la Cierva", "Ramon y Cajal" (Spanish Postdoctoral Senior Grants), e Profesor Contratado Doutor.  Desde 2023 é Profesor Titular de Universidade nese Departamento (ORCID).

Ramon Cid Manzano, foi catedrático de Fïsica e Química no IES de SAR (Santiago - España), e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentais da Facultade de Educación da Universidad de Santiago (España), ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física, licenciado en Química, e Doutor pola Universidad de Santiago (USC).(ORCID).


CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

Detector FASER

Detector SND@LHC

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···