aceleradores em física de partículas
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Aceleradores de Partículas
Aceleradores em Física de Partículas
Luis Peralta
FCUL e LIP
Aceleradores de Partículas
Porquê acelerar as partículas ?
A energia é transformada em massa na colisão
E às vezes acontecem surpresas!
E = mc2
1
1
1
2
2
cv
3Aceleradores de Partículas
Um mosquito:
m ~ 2,5 mg
v ~ 0,5 m/s => Ec ~ 6,3 x 10-7 J = 4 TeV
Energia do feixe
Unidade de Energia – electrão-volt (eV)
1 eV = 1,602 x 10-19 joule
Múltiplos mais usados em Altas Energias keV MeV GeV TeV
(103) (106) (109) (1012)
Massa protão ~ 1 GeV/c2
Feixe de protões LHC
E ~ 7 TeV
4Aceleradores de Partículas
Experiências de alvo fixo
ACELERADOR
Alvo de protõesAlvo de protões DETECTOR
Protão com
energia E
Energía útil = Energía no centro de massa
Feixes com alta intensidade
Alvo pode ser escolhido
Mau aproveitamento da energia do feixe (menos de 10%)
EcmE pcm22
5Aceleradores de Partículas
Colisionadores
Energia útil = Energia no centro de massa
ACELERADOR
Protão com
energia E
Ecm = 2·E
ACELERADOR
Protão com
energia E
6Aceleradores de Partículas
Colisionadores vs. Alvo Fixo
ALVO FIXOALVO FIXO
COLISIONADORESCOLISIONADORES
ENERGIA FEIXEENERGIA FEIXE
EN
ER
GIA
DE
CE
NT
RO
DE
MA
SS
AE
NE
RG
IA D
E C
EN
TR
O D
E M
AS
SA
7Aceleradores de Partículas
Número de Eventos
Luminosidade: medida da intensidade do feixe
Lt
NEventos Luminosidade
Secção Eficaz
Luminosidade para LHC 10-25 cm2109 eventos/s 1034 cm-2s-1
8Aceleradores de Partículas
Número de Eventos
Alta Luminosidade Implica:
1. Alta corrente no feixe
2. Muitos pacotes de partículas
3. Tamanho pequeno do feixe
No. Pacotes
Partículas por pacote
Frequência
Área do feixe
9Aceleradores de Partículas
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 !
10Aceleradores de Partículas
Esquema básico do acelerador de partículas
Fonte de partículas
Transporte
Aceleração
Extracção -> Experiência
Transporte
11Aceleradores de Partículas
Fontes de Partículas
Só conseguimos acelerar partículas
com carga eléctrica F=qEPor efeito termo-iónico podemos obter electrões livres
Canhão de electrões do cinescópio de um televisor
Aceleradores de Partículas
Fontes de partículas
Cathode
Gas in
Anode
Plasma
protons out (~300 mA)
Duoplasmatron from CERNs Linac-Homepage
13Aceleradores de Partículas
Como acelerar as partículas?
Força de Lorentz
E(t) aumenta a energía B(t) modifica a trajectória
)( BvEqF
14Aceleradores de Partículas
Aceleradores Electroestáticos
A ideia é criar uma diferença de potencial suficientemente elevada para acelerar as cargas eléctricas até energias elevadas
- +
V
Ep = eV
Ee-
15Aceleradores de Partículas
Aceleradores Electroestáticos - Van de Graaff: 1930
E < 10 MeV
Van de Graaff do campus Jussieu em Paris
Interior do primitivo Van de Graaff do Laboratório de Sacavém
16Aceleradores de Partículas
Aceleradores Electroestáticos – Cockcroft-Walton: 1932
U
2U
4UEscada de multiplicação de tensão
Vout= 2n U
Pré-injector do LINAC2 (750 keV) no CERN. Foi substituído em 1993
17Aceleradores de Partículas
Aceleradores Lineares
Fonte
~
l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7
Wideroe - 1928
O feixe é descontinuo (pacotes)L1<L2<L3… Para se obter uma energia elevada são necessário grandes comprimentos Fonte RF
18Aceleradores de Partículas
Tornando os aceleradores mais compactos
Aceleracão Linear
Aceleração Circular
Aceleradores de Partículas
vqBr
mv2
=
r
v=ω
m2
qB
=f frequência
do ciclotrão
O ciclotrão
força centripeta = força Lorentz
E. Lawrence 1929
Aceleradores de Partículas
desenhos de Dave Judd e Ronn MacKenzie
O ciclotrão visto por...
Aceleradores de Partículas
Sincrociclotão e ciclotrão isócrono
m
qBf
2Para partículas relativistas a frequência de ciclotrão varia com a velocidade > 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
22Aceleradores de Partículas
Sincrotrão
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)
vqBr
mv2
=qr
mvB
r[m] 0,3
p[GeV/c]B[T]
R=const.
relativista
23Aceleradores de Partículas
Radiação de sincrotrão
A radiação emitida pelas partículas sujeitas à aceleração centripeta limita a energia que é possível alcançar
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
LEP Electrões E=90 GeV => =180000
LHC Protões E=7 TeV => =7000
= E/m
rE
3
24Aceleradores de Partículas
Leptões vs. Hadrões
Leptões: (e- / e+)Partículas Elementares
Energia muito bem definida
Experiências de precisão
Hadrões: (p- / p+)Colisiões múltiplas
Dispersão de EnergiaExperiências com grande potencial de descoberta
p+
p+
quarks
25Aceleradores de Partículas
Componentes principais de um colisionador
26Aceleradores de Partículas
Injecção
Cadeia de injecção do LHC no CERN
27Aceleradores de Partículas
Confinamento – Anel de armazenamento
Órbita de referência
Imanes
Curvatura: Dipólos Focalização: Quadrupólos
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.
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.
)( BvEqF
28Aceleradores de Partículas
LHC - Dipolos
B = 8.33 TI = 13000 A
Construção 2 em 1
Temperatura de trabalho ~1.9 K
1232 criodipolos de 15 m de comprimento
29Aceleradores de Partículas
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…!
30Aceleradores de Partículas
Sistema de Focalização
Um gradiente de focalização alternado (focalização-desfocalização no plano horizontal-vertical) dá um efeito global focalizante
Dipólos
QuadrupólosNo quadrupólo quanto maior é a distância ao centro maior é o desvio sofrido pela partícula
31Aceleradores de Partículas
Aceleração
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
-4000 -2000 0 2000 4000
time from start of injection (s)
dip
ole
cu
rre
nt (A
)
injecção
colisiões
Aceleração
circulação
rampa
início rampa
tempo a partir da injecção(s)
32Aceleradores de Partículas
Aceleração – Cavidades RF
Órbita de referência
As partículas atrasadas veêm um campo eléctrico maior
As partículas avançadas veêm um campo eléctrico menor
A cavidade funciona como um circuito ressonante
As partículas surfam na onda RF
33Aceleradores de Partículas
Aceleração – Cavidades RF do LHC
34Aceleradores de Partículas
35Aceleradores de Partículas
ExtracciónRF
CMS
ATLAS
LHC-BALICE
InjectionInjection
Momentum Beam Cleaning (warm)
IR7: Betatron Beam Cleaning (warm)
Beam dump blocks
36Aceleradores de Partículas
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
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