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 = g mc2 E às vezes acontecem surpresas! g 1 1 Aceleradores de Partículas 2 v c2 1 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) Massa protão ~ 1 GeV/c2 (106) (109) (1012) Um mosquito: m ~ 2,5 mg Feixe de protões LHC E ~ 7 TeV v ~ 0,5 m/s => Ec ~ 6,3 x 10-7 J = 4 TeV Aceleradores de Partículas 3 Experiências de alvo fixo Energía útil = Energía no centro de massa Protão com energia E ACELERADOR Alvo de protões DETECTOR Ecm 2m p c 2 E Feixes com alta intensidade Alvo pode ser escolhido Mau aproveitamento da energia do feixe (menos de 10%) Aceleradores de Partículas 4 Colisionadores Energia útil = Energia no centro de massa Protão com energia E Protão com energia E ACELERADOR ACELERADOR Ecm = 2·E Aceleradores de Partículas 5 Colisionadores vs. Alvo Fixo ENERGIA DE CENTRO DE MASSA COLISIONADORES ALVO FIXO ENERGIA FEIXE Aceleradores de Partículas 6 Número de Eventos Luminosidade: medida da intensidade do feixe Eventos Luminosidade N L t Luminosidade para LHC 109 eventos/s 1034 cm-2s-1 Aceleradores de Partículas Secção Eficaz 10-25 cm2 7 Número de Eventos Alta Luminosidade Implica: Partículas por pacote No. Pacotes Frequência Área do feixe 1. Alta corrente no feixe 2. Muitos pacotes de partículas 3. Tamanho pequeno do feixe Aceleradores de Partículas 8 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 ! Aceleradores de Partículas 9 Esquema básico do acelerador de partículas Fonte de partículas Transporte Aceleração Transporte Extracção -> Experiência Aceleradores de Partículas 10 Fontes de Partículas Só conseguimos acelerar partículas com carga eléctrica F=qE Por efeito termoiónico podemos obter electrões livres Canhão de electrões do cinescópio de um televisor Aceleradores de Partículas 11 Fontes de partículas Duoplasmatron from CERNs Linac-Homepage protons out (~300 mA) Gas in Plasma Anode Cathode Aceleradores de Partículas Como acelerar as partículas? Força de Lorentz F q( E v B) E(t) aumenta a energía B(t) modifica a trajectória Aceleradores de Partículas 13 Aceleradores Electroestáticos A ideia é criar uma diferença de potencial suficientemente elevada para acelerar as cargas eléctricas até energias elevadas V + - E e- Ep = eV Aceleradores de Partículas 14 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 Aceleradores de Partículas 15 Aceleradores Electroestáticos – Cockcroft-Walton: 1932 4U Escada de multiplicação de tensão Vout= 2n U 2U U Aceleradores de Partículas Pré-injector do LINAC2 (750 keV) no CERN. Foi substituído em 1993 16 Aceleradores Lineares Wideroe - 1928 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 Fonte O feixe é descontinuo (pacotes) L1<L2<L3… Para se obter uma energia elevada são necessário grandes comprimentos Aceleradores de Partículas ~ Fonte RF 17 Tornando os aceleradores mais compactos Aceleracão Linear Aceleração Circular Aceleradores de Partículas 18 O ciclotrão mv2 = vqB r força centripeta = força Lorentz v ω= r qB frequência f= 2 m do ciclotrão E. Lawrence 1929 Aceleradores de Partículas O ciclotrão visto por... desenhos de Dave Judd e Ronn MacKenzie Aceleradores de Partículas Sincrociclotão e ciclotrão isócrono qB f 2 gm 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 Aceleradores de Partículas Sincrotrão mv 2 = vqB r gmv B qr p[GeV/c] B[T] 0,3 r[m] 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) Aceleradores de Partículas 22 Radiação de sincrotrão A radiação emitida pelas partículas sujeitas à aceleração centripeta limita a energia que é possível alcançar g = E/m Eg g3 r 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 Aceleradores de Partículas 23 Leptões vs. Hadrões Leptões: (e- / e+) 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 Aceleradores de Partículas 24 Componentes principais de um colisionador Aceleradores de Partículas 25 Injecção Cadeia de injecção do LHC no CERN Aceleradores de Partículas 26 Confinamento – Anel de armazenamento Órbita de referência Imanes Curvatura: Dipólos Focalização: Quadrupólos F q( E v B) 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. Aceleradores de Partículas 27 LHC - Dipolos B = 8.33 T I = 13000 A Temperatura de trabalho ~1.9 K 1232 criodipolos de 15 m de comprimento Aceleradores de Partículas Construção 2 em 1 28 Energia Magnética A energia armazenada no dipolos e quadrupolos principais do LHC é análoga à energia cinética do portaaviões USS Kitty Hawk quando se desloca a 55 km/h Quando as coisas não funcionam…! Aceleradores de Partículas 29 Sistema de Focalização Um gradiente de focalização alternado (focalizaçãodesfocalização 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 Aceleradores de Partículas 30 Aceleração rampa 12000 colisiões dipole current (A) 10000 8000 início rampa 6000 4000 circulação injecção Aceleração 2000 0 -4000 -2000 0 2000 4000 time fromdastart of injection (s) tempo a partir injecção(s) Aceleradores de Partículas 31 Aceleração – Cavidades RF Órbita de referência As partículas surfam na onda RF A cavidade funciona como um circuito ressonante As partículas avançadas veêm um campo eléctrico menor Aceleradores de Partículas As partículas atrasadas veêm um campo eléctrico maior 32 Aceleração – Cavidades RF do LHC Aceleradores de Partículas 33 Aceleradores de Partículas 34 Beam dump blocks CMS Extracción RF Momentum Beam Cleaning (warm) IR7: Betatron Beam Cleaning (warm) LHC-B ALICE ATLAS Injection Injection Aceleradores de Partículas 35 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 Aceleradores de Partículas 36
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