Aceleradores em Física de Partículas

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 10-19 joule Múltiplos mais usados em Altas Energias keV MeV GeV TeV (103) (106) (109) (1012) Um mosquito: m ~ 2,5 mg v ~ 0,5 m/s => Ec ~ 6,3 x 10-7 J = 4 TeV Massa protão ~ 1 GeV/c2 Feixe de protões LHC E ~ 7 TeV

4. Experiências de alvo fixo Energía útil = Energía no centro de massa Protão com energia E ACELERADOR DETECTOR Alvo de protões 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 Protão com energia E Protão com energia E ACELERADOR ACELERADOR Ecm= 2·E

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

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

8. 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

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 B(t) modifica a trajectória E(t) aumenta a energía

14. Aceleradores Electroestáticos E A ideia é criar uma diferença de potencial suficientemente elevada para acelerar as cargas eléctricas até energias elevadas DV + - 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 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 Fonte ~ Wideroe - 1928 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 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 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 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

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 Temperatura de trabalho ~1.9 K 1232 criodipolos de 15 m de comprimento Construção 2 em 1

29. 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 início rampa circulação injecção 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

35. Beam dump blocks CMS Extracción RF 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