Largue Hadron Collider


LHC

1232 dipolos magnéticos (de 14,3 m de longitud y unas 35 toneladas) colocados a lo largo del túnel proporcionarán a los protones, que viajan por el interior de tubos de vacío, la fuerza centrípeta necesaria para mantenerlos en la trayectoria curva del acelerador a su paso por los ocho arcos del LHC.

La misión del campo magnético es curvar la trayectoria de los protones. Esto ocurre gracias a que la fuerza magnética (Fuerza de Lorentz) es siempre perpendicular a la velocidad de los protones.

Ambos vectores B actuando en sentidos contrarios sobre protones que viajan en sentidos contrarios generan una fuerza con el mismo sentido sobre todos los protones. Ese sentido está siempre dirigido hacia el centro del acelerador, siendo, como ya se ha dicho, la fuerza centrípeta que mantiene a todos los protones en la trayectoria correcta.

Animación LHC teknociencia.es

[flv]http://teknociencia.es/videos/experimento-seis-mil-millones-por.flv[/flv]

[flv]http://teknociencia.es/videos/Las-Catedrales-de-la-Ciencia-CERN-1954-2004.flv[/flv]

De los cálculos previos para la fuerza centrípeta podemos ahora obtener el valor necesario para B.
B ~ 8.33 T
(100000 veces el campo magnético terrestre)
Si el LHC llevase dipolos magnéticos tradicionales (no superconductores), serían necesarios 120 km de longitud para alcanzar la misma energía y el consumo eléctrico sería enorme.

Para alcanzar los 8.33 T, necesitamos 160 cables superconductores (80 en cada lado). Los ochenta cables, están situados en capas dobles alrededor de cada tubo, circulando la corriente en ellos en sentidos contrarios a cada lado del tubo.

Como cada dipolo cubre una distancia de unos 15 m podemos calcular a longitud total superconductora en los 1232 dipolos (2 tubos por dipolo):
L = 2 x 1232 x 160 x 36 x 6500 x 15 ? L = 1,38•1012 m
Esta cantidad supone más de 9 veces la distancia Sol-Terra (1,5•1011m).

Sabemos que entre conductores paralelos aparecen fuerzas atractivas o repulsivas según sean los sentidos de las corrientes eléctricas que circulan por ellos. Como en este caso las corrientes sobre cada tubo van en sentido contrario, aparecerán fuerzas repulsivas entre las dos capas conductoras que rodean a ese tubo.

La energía almacenada en cada dipolo doble es:
Ed ? 7 MJ
Considerando 1232 dipolos: ET ? 9 GJ

Teniendo en cuenta su longitud, la densidad de energía en cada dipolo principal es:
7000/14,3 ? 500 kJ/m

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 superconductividad en el imán
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”).

Hay un total de 858 cuadrupolos magnéticos.

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 electromagnética entre paquetes, las creadas por nubes de electrones que se asocian desde las paredes de los tubos, etc.
Sextupolo, tienen por función corregir la cromaticidad, es decir corrige a las partículas con energías diferentes a la nominal.

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

 

 

La Fuerza de Lorentz juega otro papel muy importante en el LHC. Es la responsable de curvar la trayectoria de las nuevas partículas creadas después de la colisión de los protones.
Dependiendo de la carga eléctrica, masa y energía, las partículas serán separadas por la fuerza magnética de formas diferentes, pudiendo así ser analizadas separadamente.
En la imagen vemos la simulación de la creación de una partícula de Higgs con la aparición final de dos fotones que no son, obviamente, afectados por el campo magnético del detector.
Cada detector tiene su propio diseño para ese campo magnético, y vamos a continuación a echarle una mirada a dos de ellos.

El detector CMS (Compact Muon Solenoid) es un instrumento de 12500 toneladas (el núcleo de hierro -en rojo en la imagen- del sistema magnético contiene más hierro que la Torre Eiffel).
El imán está formado por tres partes: la bobina superconductora, el tanque de vacío y e núcleo de hierro. La bobina produce el campo axial mientras que el núcleo es el responsable del retorno del flujo magnético en la parte exterior del solenoide. Este retorno del flujo es el que conforma el conjunto de líneas de fuerza que llenan el detector en todo su volumen paralelamente al eje, y que curvarán las trayectorias de las partículas que se produzcan debido a las colisiones en el centro del detector.

El Solenoide consiste en 5 módulos de 2,5 m de largo cada uno.
Cada módulo está formado por un cilindro de aluminio con cuatro capas internas de embobinado, de 109 vueltas cada una.
Por tanto :
B ? 4 T
Flujo magnético a través de la superficie es:
? ? 230 kWb
Con, ? = L•I ? L = 230000/19500 ? L ? 12 H
Estamos hablando de una energía almacenada en el solenoide de:
E = ½•L•I2 ? E ? 2,3 GJ
equivalente a media tonelada de TNT.

El detector ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) ofrece un sistema híbrido de cuatro imanes superconductores: un solenoide central rodeado por 2 toroides extremos (End-cap) y un sistema toroidal “de barril” (BT). Las dimensiones de este sistema magnético son 20 m de diámetro y 26 m en longitud. Con sus cerca de 2 GJ de energía almacenada, es realmente el imán superconductor más grande del mundo.
El solenoide central, de 5.5 toneladas de peso, 2.5 m de diámetro y 5.3 m de largo, proporciona un campo magnético axial de 2 T en el centro del área de tracking de ATLAS. Dado que este solenoide precede al calorímetro electromagnético de argón-líquido (LAr), su espesor debe ser el mínimo posible para permitir la máxima respuesta del calorímetro. Contiene 9 km de cables superconductores enfriados por helio líquido y circula por él una corriente eléctrica de 8000 A.
Con 7 km de cables superconductores tenemos
B ? 2 T

La energía almacenada por el solenoide es: E = ½•L•I2 ? E ? 44,8 MJ
ATLAS posee también un enorme sistema magnético toroidal superconductor (Barrel Toroid – BT) con unas dimensiones de 25 m largo y 22 m de diámetro. Este sistema toroidal proporciona el campo magnético para las áreas de detección muónica. El toroide está compuesto por 8 estructuras de 25m x 5m por donde circulan . corrientes superconductoras de 20500 A.
Su masa total es de 850 t.

Cada una de esas estructuras tiene una longitud de (25+25+5+5) ~ 60 m

http://achadrones.blogspot.com

DETECTORES

Los eventos (un evento es una colisión con todas sus partículas resultantes) son estudiadas en detectores gigantes que son capaces de reconstruir lo que ocurrió durante las colisiones, y todo esto en un entorno elevadísimo de tasa de colisiones. Pueden ser comparados con enormes cámaras digitales tridimensionales que pueden tomar 40 millones de “secuencias” (digitalizadas por decenas de millones de sensores) por segundo. Los detectores son construidos en capas, teniendo cada capa una determinada funcionalidad. Las internas son las menos densas, mientras que las exteriores son las más densas y compactas.

Las partículas muy masivas que los científicos esperan crear tienen una muy corta vida, decayendo en otras más ligeras y ya conocidas. Después due una colisión cientos de esas partículas ligeras como electrones, muones y fotones, pero también protones, neutrones y otras, vuelan a través del detector con velocidades próximas a la de la luz. Los detectores usan esas partículas ligeras para deducir la breve existencia de las nuevas y pesadas producidas.

Las trayectorias de las partículas cargadas son curvadas por campos magnéticos, y los radios de curvatura son utilizados para calcular sus momentos: cuanto más alta es la energía máis abierta es la curvatura. Por tanto, partículas con mucha energía cinética presentan una suficiente trayectoria a través del detector para ser medido su radio de curvatura e por tanto su momento. Otras partes del detector son los calorímetros destinados a medir la energía de las partículas (tanto de las cargadas como de las no cargadas). Los calorímetros también debernser suficientemente grandes para absorber la máxima energía posible. Estas dos son las razones de que los detectores del LHC sean tan grandes. Los detectores rodean el punto de interacción para recoger toda la energía de las partículas y el balance de los momentos de cada evento para reconstruirlo en detalle. Combinando la informacion desde las diferentes capas es posible determinar el tipo de partícula que dejó su traza en cada capa.

Las partículas – electrones, protones ye muones – dejan trazas por ionización. Los electrones son muy ligeros y por tanto pierden su energía muy rápidamente, mientras que los protones penetran más profundamente en el detector. Los fotones no dejan trazas por si mismo pero en el calorímetro se convierten en pares electrón-positrón, cuyas energías pueden ser medidas. La energía de los neutrones puede ser medida indirectamente a partir de la transferencia de la misma que hacen hacia protones. Los muones son las únicas partículas que alcanzan y son detectadas por las capas más externas del detector.

Cada parte del detector está conectado a un sistema de lectura electrónica a través de miles de cables. En el instante en que un impulso es producido el sistema registra el lugar y momento exactos enviando la información a la computación. Centenares de computadores trabajan conjuntamente para combinar esa información. En lo más alto de la jerarquia computacional se decide en una fracción de segundo que evento es interesante y cual no. Hay diversos criterios para seleccionar los eventos potencialmente significativos, reducidose así la cantidad de eventos desde los 600 millons producidos a unos centenares que serán investigados en detalles.

Los detectores del LHC fueron designados, construídos y llevados a cabo por colaboracióones internacionales procedentes de todas partes del mundo. Hay cuatro grandes experimentos (ATLAS, CMS, LHCb y ALICE) y tres pequeños (TOTEM, LHCf y MoeDAL). Fueron necesarios vente años para el diseño y construcción de los detectores y la duracion de los experimentos será del orden de 15 años. Esto es equivalente a la carrera total de un físico.

La construcción de estos detectores es el resultado de lo que podría ser llamado “inteligencia de grupo”: mientras que todos los científicos participantes en un detector entienden en general las funciones del aparato, ninguno conoce con precisión los detalles y la precisa función de todas las partes del detector. En tal colaboración, cada científico contribuye con su conocimiento en el experimento al éxito total.

ATLAS

El detector ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS ) es el más grande detector en la Física de Partículas dedicado a propósitos generales (designado para “ver” un amplio rango de partículas y fenómenos producidos en las colisiones en el LHC). Mide 46 metros de largo, 25 metros de alto y 25 metros de ancho; pesa 7000 toneladas y consiste en 100 millones de sensores para medir las partículas que emergerán de las colisiones protón-protón en el LHC. La primera pieza de ATLAS fue instalada en 2003 y la última fue bajada en marzo de 2008, completándose así el gigantesco puzzle.

[flv]http://teknociencia.es/videos/atlas/ATLAS-movie.flv[/flv]

ATLAS podría dar respuesta a la misteriosa “materia e energía oscura”, y buscar dimensiones extra en el espacio-tiempo. Está diseñado para ser capaz de descubrir nuevas partículas y nuevos fenómenos esperados como extensiones del Modelo Estándar: supersimetría o el Bosón de Higgs .

Si el campo de Higgs no es la resposta buscada para entender la masa de las partículas, se espera que el experimento ATLAS guíe a los físicos en la correcta dirección.

Mas sobre el ATLAS en http://www.lhc-closer.es/php/index.php?i=2&s=4&p=6&e=3

ATLAS es una colaboración mundial que implica a unos 2100 científicos e ingenieros de 167 institucións de 38 países. Son: Argentina, Armenia, Australia, Austria, Azerbaián, Belarrusia, Brasil, Canadá, Chile, China, Colombia, República Checa, Dinamarca, Francia, Georgia, Alemania, Grecia, Hungría, Israel, Italia, Japón, Marruecos, Holanda, Noruega, Polonia, Portugal, Rumania, Rusia, Serbia, Eslovaquia, Eslovenia, España, Suecia, Suiza, Taiwan, Turquía, Reino Unido y EEUU.

[flv]http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Video/Public/Movies/2010/CERN-MOVIE-2010-156/CERN-MOVIE-2010-156-0753-kbps-640×360-25-fps-audio-64-kbps-44-kHz-stereo.flv[/flv]

The experiments of the LHC : ALICE ATLAS CMS LHCb and the GRID

© CERN

[flv]http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Video/Public/Movies/2010/CERN-MOVIE-2010-054/CERN-MOVIE-2010-054-0753-kbps-640×360-25-fps-audio-64-kbps-44-kHz-stereo.flv[/flv]

ATLAS Detector

[flv]http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Video/Public/Rush/2006/CERN-VIDEORUSH-2006-057/CERN-VIDEORUSH-2006-057-0753-kbps-640×360-25-fps-audio-64-kbps-44-kHz-stereo.flv[/flv]

Paciencia para ver las animaciones han de descargarse en el navegador y esto tarda un poco…

http://teknociencia.es/videos/atlas/Episode1.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/Episode2.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/z-boson-ee.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/detects-particles.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/muon-spectrometer.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/inner-detector.swf

http://teknociencia.es/videos/atlas/hadronic-calorimeter.swf

CMS

CMS (Compact Muon Solenoid) es, junto con ATLAS, un detector de “propósito general” diseñado para explorar la física en la escala del TeV en un amplio rango de partículas y fenómenos producidos en las colisiones en el LHC. En ella se espera encontrar respuesta a preguntas como: Hay aún principios fundamentales sin descubrir? Es el mecanismo Higgs el responsable de la masa visible del universo? Cómo podemos resolver el misterio de la energía oscura? Hay dimensiones extra en el espacio? Cómo se creó el universo? Está el Bosón de Higgs detrás de la masa de las partículas?

El cuerpo principal del detector CMS es un cilindro multicapa de unos 21 m de largo y 16 m de diámetro, con un peso total de más de 13000 toneladas. La capa más interior es el silicon-based particle tracker (detector de trazas hecho de silicio) rodeado por el scintillating crystal electromagnetic calorimeter (calorímetro electromagnético de cristal escintilador o de centelleo ), que a su vez esta cubierto por el sampling calorimeter for hadrons (calorímetro de muestra para hadrones) midiendo la energía de las partículas. Todos estos subdetectores se encuentran dentro del solenoide central superconductor (3,8 Tesla), de 13 m largo y 6 m de diámetro, que permitirá medir el momento de las partículas cargadas. En el exterior del solenoide están los large muon detectors (grandes detectores de muóns), que están insertados en piezas de hierro que constituyen el núcleo de retorno del campo magnético.

Mas http://www.lhc-closer.es/php/index.php?i=2&s=4&p=6&e=3

La colaboración CMS comprende 2300 científicos de 159 instituciones en 37 países.

En CMS participan 88 investigadores españoles. CIEMAT) ha participado en el desarrollo y fabricación de imanes superconductores para el acelerador, así como en el diseño y construcción de 70 cámaras de muones (25% del total) de CMS y en la fabricación de la electrónica de lectura de estas cámaras. El CIEMAT y el Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto del CSIC y la Universidad de Cantabria, son responsables del sistema de alineamiento y de la electrónica asociada de lás cámaras de muones de CMS. En este sistema también colaboran la Universidad de Oviedo y la Universidad Autónoma de Madrid, involucrada asimismo en el desarrollo del sistema de selección de datos o “Trigger”. La participación española en el LHC es promovida a través del proyecto Consolider-Ingenio 2010 CPAN (Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear).

http://www.i-cpan.es

PDF en español del CERN http://cms.web.cern.ch/cms/News/2010/QCD-10-002/TwoParticleCorrelationCMSStatementFinal_es.pdf

Searching for the missing Universe

[flv]http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Video/Public/Movies/2010/CERN-MOVIE-2010-153/CERN-MOVIE-2010-153-0753-kbps-480×360-25-fps-audio-64-kbps-44-kHz-stereo.flv[/flv]

http://www.lhc-closer.es

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