Aceleradores em Física de Partículas Luis Peralta FCUL e LIP.

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1 Aceleradores em Física de Partículas Luis Peralta FCUL e LIP

2 Porquê acelerar as partículas ?
A energia é transformada em massa na colisão E = g mc2 E às vezes acontecem surpresas!

3 Energia do feixe Unidade de Energia – electrão-volt (eV)
1 eV = 1,602 x joule Múltiplos mais usados em Altas Energias keV MeV GeV TeV (103) (106) (109) (1012) Massa protão ~ 1 GeV/c2 Um mosquito: m ~ 2,5 mg v ~ 0,5 m/s => Ec ~ 6,3 x 10-7 J = 4 TeV Feixe de protões LHC E ~ 7 TeV

4 Experiências de alvo fixo
Energía útil = Energía no centro de massa Protão com energia E ACELERADOR Alvo de protões DETECTOR Feixes com alta intensidade Alvo pode ser escolhido Mau aproveitamento da energia do feixe (menos de 10%)

5 Colisionadores Energia útil = Energia no centro de massa Ecm = 2·E
Protão com energia E Protão com energia E ACELERADOR ACELERADOR Ecm = 2·E

6 Colisionadores vs. Alvo Fixo
ENERGIA DE CENTRO DE MASSA ALVO FIXO ENERGIA FEIXE

7 Número de Eventos Luminosidade: medida da intensidade do feixe Eventos
Secção Eficaz Luminosidade para LHC 109 eventos/s 1034 cm-2s-1 10-25 cm2

8 Número de Eventos Alta Luminosidade Implica: 1. Alta corrente no feixe
Partículas por pacote No. Pacotes Frequência Área do feixe 1. Alta corrente no feixe 2. Muitos pacotes de partículas 3. Tamanho pequeno do feixe

9 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 !

10 Esquema básico do acelerador de partículas
Fonte de partículas Transporte Aceleração Transporte Extracção -> Experiência

11 Fontes de Partículas Só conseguimos acelerar partículas
com carga eléctrica F=qE Por efeito termo-iónico podemos obter electrões livres Canhão de electrões do cinescópio de um televisor

12 Fontes de partículas Duoplasmatron from CERNs Linac-Homepage
protons out (~300 mA) Gas in Plasma Anode Cathode

13 Como acelerar as partículas?
Força de Lorentz E(t) aumenta a energía B(t) modifica a trajectória

14 Aceleradores Electroestáticos
A ideia é criar uma diferença de potencial suficientemente elevada para acelerar as cargas eléctricas até energias elevadas DV - + E e- DEp = eDV

15 Aceleradores Electroestáticos - Van de Graaff: 1930
Interior do primitivo Van de Graaff do Laboratório de Sacavém E < 10 MeV Van de Graaff do campus Jussieu em Paris

16 Aceleradores Electroestáticos – Cockcroft-Walton: 1932
4U Escada de multiplicação de tensão Vout= 2n U 2U Pré-injector do LINAC2 (750 keV) no CERN. Foi substituído em 1993 U

17 Aceleradores Lineares
Wideroe Fonte ~ l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 O feixe é descontinuo (pacotes) L1<L2<L3… Para se obter uma energia elevada são necessário grandes comprimentos Fonte RF

18 Tornando os aceleradores mais compactos
Aceleracão Linear Aceleração Circular

19 O ciclotrão frequência do ciclotrão E. Lawrence 1929
força centripeta = força Lorentz frequência do ciclotrão E. Lawrence 1929

20 O ciclotrão visto por... desenhos de Dave Judd e Ronn MacKenzie

21 Sincrociclotão e ciclotrão isócrono
Para partículas relativistas a frequência de ciclotrão varia com a velocidade g > 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

22 Sincrotrão R=const. O feixe ganha energia em cada volta
relativista R=const. 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)

23 Radiação de sincrotrão
A radiação emitida pelas partículas sujeitas à aceleração centripeta limita a energia que é possível alcançar g = E/m LEP Electrões E=90 GeV => g =180000 LHC Protões E=7 TeV => g =7000 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

24 Leptões: (e- / e+) Hadrões: (p- / p+) p+ p+ Leptões vs. Hadrões
Partículas Elementares Energia muito bem definida Experiências de precisão Hadrões: (p- / p+) Colisiões múltiplas p+ p+ quarks Dispersão de Energia Experiências com grande potencial de descoberta

25 Componentes principais de um colisionador

26 Injecção Cadeia de injecção do LHC no CERN

27 Confinamento – Anel de armazenamento
Órbita de referência Imanes Curvatura: Dipólos Focalização: Quadrupólos 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. 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.

28 LHC - Dipolos B = 8.33 T I = 13000 A Construção 2 em 1
Temperatura de trabalho ~1.9 K 1232 criodipolos de 15 m de comprimento Construção 2 em 1

29 Quando as coisas não funcionam…!
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…!

30 Sistema de Focalização
Um gradiente de focalização alternado (focalização-desfocalização no plano horizontal-vertical) dá um efeito global focalizante No quadrupólo quanto maior é a distância ao centro maior é o desvio sofrido pela partícula Quadrupólos Dipólos

31 Aceleração colisiões rampa injecção início rampa circulação Aceleração
tempo a partir da injecção(s)

32 Aceleração – Cavidades RF
Órbita de referência As partículas surfam na onda RF A cavidade funciona como um circuito ressonante As partículas atrasadas veêm um campo eléctrico maior As partículas avançadas veêm um campo eléctrico menor

33 Aceleração – Cavidades RF do LHC

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35 Momentum Beam Cleaning (warm) IR7: Betatron Beam Cleaning (warm)
Beam dump blocks CMS RF Extracción Momentum Beam Cleaning (warm) IR7: Betatron Beam Cleaning (warm) LHC-B ALICE ATLAS Injection Injection

36 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