El Sincrotrón de Protones ( PS ) es un acelerador de partículas en el CERN . Es el primer sincrotrón del CERN , que comenzó a funcionar en 1959. Durante un breve período, el PS fue el acelerador de partículas de mayor energía del mundo . Desde entonces ha servido como pre-acelerador para los Anillos de Almacenamiento Intersectantes ( ISR ) y el Sincrotrón Super Protón ( SPS ), y actualmente es parte del complejo de aceleradores del Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ). Además de los protones , el PS tiene partículas alfa aceleradas ,núcleos de oxígeno y azufre , electrones , positrones y antiprotones . [1]
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| Lista de aceleradores de partículas actuales en el CERN | |
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| Linac 3 | Acelera los iones |
| ANUNCIO | Decelera los antiprotones |
| LHC | Choca protones o iones pesados |
| LEIR | Acelera los iones |
| PSB | Acelera protones o iones |
| PD | Acelera protones o iones |
| SPS | Acelera protones o iones |
Hoy, el PS es parte del complejo de aceleradores del CERN. Acelera los protones del LHC y de otras instalaciones experimentales del CERN. Usando una fuente de iones de hidrógeno negativos, los iones se aceleran primero a la energía de 160 MeV en el acelerador lineal Linac 4 . Luego, el ion hidrógeno se despoja de ambos electrones, dejando solo el núcleo que contiene un protón, que se inyecta en el Proton Synchrotron Booster ( PSB ), que acelera los protones a 2 GeV, seguido por el PS, que empuja el haz a 25 GeV. . [2] Los protones se envían luego al Sincrotrón Super Proton y se aceleran a 450 GeV antes de inyectarse en el LHC. El PS también acelera los iones pesados del anillo de iones de baja energía ( LEIR ) a una energía de 72 MeV, para las colisiones en el LHC.
Fondo
El sincrotrón (como en el sincrotrón de protones ) es un tipo de acelerador de partículas cíclico , que desciende del ciclotrón , en el que el haz de partículas en aceleración viaja alrededor de una trayectoria fija. El campo magnético que dobla el haz de partículas en su camino fijo aumenta con el tiempo y está sincronizado con la energía creciente de las partículas. A medida que las partículas viajan alrededor de la trayectoria circular fija, oscilarán alrededor de su órbita de equilibrio , un fenómeno llamado oscilaciones de betatrón .
En un sincrotrón convencional, el enfoque de las partículas circulantes se logra mediante un enfoque débil : el campo magnético que guía las partículas alrededor del radio fijo disminuye ligeramente con el radio, provocando que las órbitas de las partículas con posiciones ligeramente diferentes se aproximen entre sí. La cantidad de enfoque de esta manera no es muy grande y, en consecuencia, las amplitudes de las oscilaciones del betatrón son grandes. El enfoque débil requiere una gran cámara de vacío y, en consecuencia, grandes imanes. La mayor parte del costo de un sincrotrón convencional son los imanes. El PS fue el primer acelerador del CERN que hizo uso del principio de gradiente alterno , también llamado enfoque fuerte: los imanes cuadrupolos se utilizan para enfocar alternativamente horizontal y verticalmente muchas veces alrededor de la circunferencia del acelerador. En teoría, el enfoque de la partícula puede llegar a ser tan fuerte como se desee, y la amplitud de las oscilaciones del betatrón tan pequeña como se desee. El resultado neto es que puede reducir el costo de los imanes.
Historia operativa
Estudios preliminares
Cuando a principios de la década de 1950 comenzaron a tomar forma los planes para un laboratorio europeo de física de partículas , surgieron dos proyectos diferentes de aceleradores. Una máquina debía ser de tipo estándar, fácil y relativamente rápida y barata de construir: el Synchrocyclotron , que lograría colisiones a una energía de centro de masa de 600 MeV. El segundo dispositivo fue una empresa mucho más ambiciosa: un acelerador más grande que cualquier otro existente en ese momento, un sincrotrón que podía acelerar protones hasta una energía de 10 GeV: el PS.
En mayo de 1952 se creó un grupo de diseño con Odd Dahl a cargo. [3] Otros miembros del grupo fueron, entre otros, Rolf Widerøe , Frank Kenneth Goward y John Adams . Después de una visita al Cosmotron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE. UU., El grupo se enteró de una nueva idea para fabricar máquinas más baratas y de mayor energía: el enfoque de gradiente alterno . La idea era tan atractiva que se abandonó el estudio de un sincrotrón de 10 GeV y se inició el estudio de una máquina que implementaba la nueva idea. [4] Usando este principio, se podría construir un acelerador de 30 GeV por el mismo costo que un acelerador de 10 GeV usando un enfoque débil. [4] Sin embargo, cuanto más fuerte sea el enfoque, mayor será la precisión de alineación de los imanes requerida. Esto resultó ser un problema serio en la construcción del acelerador.
Un segundo problema en el período de construcción fue el comportamiento de las máquinas a una energía llamada "energía de transición". En este punto, el aumento relativo en la velocidad de las partículas cambia de mayor a menor, lo que hace que la amplitud de la oscilación del betatrón llegue a cero y la pérdida de estabilidad en el haz. Esto se resolvió mediante un salto , o un cambio repentino en la aceleración, en el que los cuádruples pulsados hicieron que los protones atraviesen el nivel de energía de transición mucho más rápido.
El PS fue aprobado en octubre de 1953, como sincrotrón de energía de 25 GeV con un radio de 72 metros, y un presupuesto de 120 millones de francos suizos . [5] La fuerza de enfoque elegida requería una cámara de vacío de 12 cm de ancho y 8 cm de alto, con imanes de aproximadamente 4000 toneladas de masa total. Dahl dimitió como director del proyecto en octubre de 1954 y fue reemplazado por John Adams . En agosto de 1959, el PS estaba listo para su primer haz y el 24 de noviembre la máquina alcanzó una energía de haz de 24 GeV. [3]
1960-1976: objetivo fijo y preacelerador para ISR
A fines de 1965, el PS era el centro de una telaraña de líneas de rayos: suministró protones al South Hall ( sitio de Meyrin ) donde un objetivo interno produjo cinco rayos secundarios, que sirvieron para un experimento de neutrinos y un anillo de almacenamiento de muones ; el North Hall (sitio de Meyrin) donde dos cámaras de burbujas ( Saclay de hidrógeno de 80 cm , CERN líquido pesado) fueron alimentadas por un objetivo interno; cuando el East Hall (sitio de Meyrin) estuvo disponible en 1963, los protones del PS golpearon un objetivo interno produciendo un haz secundario filtrado por separadores electrostáticos a la cámara de burbujas de 2 my del CERN y experimentos adicionales. [6]
Junto con la construcción de los Anillos de Almacenamiento Intersectantes (ISR), en 1965 se decidió un programa de mejora para el PS, que también dejó espacio para los experimentos de Gargamelle y la Gran Cámara de Burbujas Europea . La energía de inyección del PS se elevó mediante la construcción de un amplificador de cuatro anillos de 800 MeV, el Proton Synchrotron Booster (PSB), que entró en funcionamiento en 1972. [6]
1976–1991: Preacelerador de SPS / Sp p S y LEAR
En 1976, el Super Proton Synchrotron (SPS) se convirtió en un nuevo cliente del PS. Cuando SPS comenzó a operar como un colisionador de protones y antiprotones , el Sp p S , el PS tenía la doble tarea de producir un haz de protones intenso de 26 GeV / c para generar antiprotones a 3.5 GeV / c para ser almacenados en el acumulador de antiprotones ( AA ), y luego acelerando los antiprotones a 26 GeV / c para transferirlos al SPS.
El acelerador lineal , que ahora sirve al PSB, fue reemplazado en 1978 por Linac 2 , lo que provocó un aumento adicional de la intensidad. [6] Durante este período, la aceleración de los iones ligeros entró en escena. Linac 1, que fue reemplazado por Linac 2, estaba equipado para acelerar los deuterones que se aceleraban en el PS y se transfirieron al ISR donde colisionaron con protones o deuterones.
Cuando el anillo de antiprotones de baja energía ( LEAR ), para la desaceleración y el almacenamiento de antiprotones, entró en funcionamiento en 1982, PS retomó el nuevo papel de desacelerador de antiprotones. Desaceleró los antiprotones del AA a 180 MeV y los inyectó en LEAR. Durante este período, el complejo PS realmente se ganó el sobrenombre de "fábrica de partículas versátil". [6] Hasta 1996, PS aceleraba regularmente iones para experimentos de SPS con objetivos fijos, protones para el East Hall o producción de antiprotones en AA, desaceleraba protones para LEAR y luego aceleraba electrones y positrones para el Large Electron Positron Collider ( LEP ) .
1991-2001: preacelerador para LEP
Para proporcionar leptones a LEP, se tuvieron que agregar tres máquinas más al complejo PS: el acelerador lineal de electrones LIL-V, el acelerador lineal de electrones y positrones LIL-W y el anillo de almacenamiento EPA (Acumulador de electrones y positrones). Se tuvo que agregar una pequeña cantidad de hardware adicional para modificar PS de un sincrotrón de protones de 25 GeV a un sincrotrón de leptones de 3.5 GeV.
Durante este período, también aumentó la demanda de iones más pesados para ser entregados como haz primario a la sala experimental SPS North ( sitio de Prévessin ). Tanto los iones de azufre como los de oxígeno se aceleraron con gran éxito.
2001-hoy: preacelerador para LHC
Una vez finalizado el funcionamiento como inyector LEP, el PS inició un nuevo período de funcionamiento en preparación como inyector LHC y para nuevos experimentos con objetivos fijos. Nuevos experimentos comenzaron a ejecutarse en el área este, como el experimento CLOUD . El complejo PS también fue remodelado cuando el área AA fue reemplazada por el Antiproton Decelerator y su área experimental.
Al aumentar la energía del PSB y del Linac 2, el PS alcanzó intensidades récord en 2000 y 2001. Durante todo 2005, el PS se cerró: el daño por radiación había provocado el envejecimiento de los imanes principales. Los imanes, que originalmente se estimaba que tenían una vida útil de menos de 10 años, habían excedido la estimación en más de un factor de cuatro y pasaron por un programa de renovación. Se vació el túnel, se reacondicionaron los imanes y se realineó la máquina. En 2008, PS comenzó a funcionar como preacelerador del LHC. Simultáneamente, la operación de iones cambió: LEAR se convirtió en un anillo de almacenamiento, el anillo de iones de baja energía (LEIR), y el PSB dejó de ser un inyector de iones.
Construcción y operación
El PS está construido en un túnel, en el que la temperatura se controla a ± 1 °. Alrededor de la circunferencia, 628 metros, hay 100 unidades de imán de 4,4 m de longitud nominal, 80 sectores rectos cortos de 1,6 my 20 sectores rectos de 3 m. [6] Dieciséis secciones largas y rectas están equipadas con cavidades de aceleración, 20 cortas con lentes de corrección cuádruples y 20 cortas con juegos de lentes séxtuples y octuples. Otras secciones rectas están reservadas para estaciones de observación de haces y dispositivos de inyección, objetivos e imanes de expulsión.
Dado que la alineación de los imanes es de suma importancia, las unidades se montan sobre un anillo de hormigón flotante libre de 200 metros de diámetro. [4] Como precaución adicional, el anillo de hormigón tiene tubos de acero fundidos, por donde el agua pasa a través del anillo para mantener una temperatura constante en los imanes.
Hallazgos y descubrimientos
Usando un haz de neutrinos producido por un haz de protones de PS, el experimento de Gargamelle descubrió corrientes neutras en 1973.
Referencias
- ^ "El sincrotrón de protones" . CERN . Consultado el 11 de agosto de 2017 .
- ^ "El complejo del acelerador" . CERN . Consultado el 11 de agosto de 2017 .
- ^ a b Mersits, Ulrike (1990). "La Construcción del Sincrotrón de Protones de 28 GeV y los primeros seis años de su exploración científica". En Hermann, A .; Krige, J .; Mersits, U .; Pestre, D. (eds.). Historia del CERN, Vol. II . Amsterdam: Holanda Septentrional. págs. 139–269.
- ^ a b c Bakker, CJ, ed. (1960). Sincrotrón de protones de 25 GeV del CERN . Ginebra: CERN.
- ^ Acta de la reunión: Séptima reunión, Ginebra, 29-30 de octubre de 1953 (PDF) . Roma: CERN. 1954 . Consultado el 11 de agosto de 2017 .
- ^ a b c d e Gilardoni, S .; Manglunki, D., eds. (2011). "Los orígenes y la evolución del Sincrotrón de Protones CERN" (PDF) . Cincuenta años del sincrotrón de protones del CERN . Ginebra: CERN. págs. 1-33 . Consultado el 16 de agosto de 2017 .
enlaces externos
Medios relacionados con el sincrotrón de protones en Wikimedia Commons
Medios relacionados con el sincrotrón de protones en Wikimedia Commons