Introducci ón a los Aceleradores de Partículas Sesión 1

1. Introducción a los Aceleradores de PartículasSesión 1 Antonio Vergara (CERN – CIEMAT) Ginebra, 25-26 de Julio 2007

2. ¿Qué Queremos? ¿Qué Necesitamos? ¿Qué Hacemos?

3. Qué Necesitamos: 1 – Densidad de Energía Energía en el Haz vs. Energía de las Colisiones 7 TeV LHC Haz 7 TeV LHC Proton Mosquito Volando 0.7 GJoule Unidad de Energía – Electronvolt (eV) 1 eV = 1.602 · 10-19 Joule

4. Qué Necesitamos: 1 – Densidad de Energía 0.7 GJ almacenados en los haces del LHC: ∙ Calentar y derretir ~ 1 Tm Cobre ∙ AVE a más de 100 km/h Pero… Las energía desprendida en las colisiones no es mayor que la de una cerilla

5. Qué Necesitamos: 2 – Eventos La Luminosidad Sección Eficaz Eventos Luminosidad Buscando el Higgs 1034 cm-2s-1 109 eventos/s 10-25 cm2

6. Qué Necesitamos: 2 – Eventos Alta Luminosidad Implica: Particulas por paquete No. Paquetes Frecuencia Sección del haz 1. Alta corriente en el haz 2. Muchos paquetes de partículas 3. Pequeño tamaño del haz

7. Aceleradores de Partículas: Esquema Básico 1. Fuente de partículas 2. Transporte 3. Aceleración 4. Transporte 5. Experimento

8. Experimentos de Blanco Fijo Luminosidad Sencillez Blanco variable Experimento separado del acelerador Mal aprovechamiento de la energía del proyectil (menos del 10%) Energía útil = Energía del centro de masas Partícula con energía E Partícula con masa m ACELERADOR DETECTOR BLANCO

9. Colisionadores Particle with energy E Ecm= 2·E Luminosidad Necesita altísima focalización Experimento dentro del acelerador 2 haces de partículas – 2 opciones: ∞ 2 aceleradores ∞ Antipartículas Efectos Beam-Beam Particle with mass m Energía útil = Energía del centro de masas Particle with energy E ACCELERATOR ACCELERATOR DETECTOR

10. Colisionadores vs. Blanco Fijo COLISIONADORES ENERGÍA DEL CENTRO DE MASAS BLANCO FIJO ENERGÍA PROYECTIL

11. Colisionadores – Una Simulación

12. Fundamentos - La Historia

13. Fundamentos de la Aceleración Fuerza de Lorentz B(t) modifica la trayectoria E(t) incrementa la energía

14. Aceleradores Electroestáticos, Van Der Graaff: 1930 Al principio… todo consistía en acumular voltaje U = x MV - + + < 10 MeV E = x MeV Acelerador tandem Van de Graaff de la Universidad de Michigan

15. Aceleradores Lineales Wideroe - 1928 l1 l2 l3 l4 l5 l6 l7 Fuente ~ El haz tiene que ser discontinuo: Paquetes (bouches) L1<L2<L3… PERO: para i elevadas Li≈ Li+1 Principal limitación: Longitud – Aceleradores muy largos

16. Aceleradores Lineales

17. Aceleradores Lineales SLAC (Stanford Linear Accelarator) Palo Alto, San Francisco, 1970 Electrones a 20 GeV en 2 millas Electrones a 400 MeV Fermilab (Chicago) 1971 actualizado en 1993

18. Aprovechando el Espacio… Aceleración Lineal Aceleración Circular

19. Ciclotrón Cliclotrón de protones en PSI (Zurich) B, f → Constante R ∝ Velocidad La frecuencia de revolución sólo es constante mientras la masa no varíe. Partículas relativistas: Sincro-ciclotrón

20. Sincrotrón • El haz gana energía en cada vuelta • Son necesarios imanes dipolares para curvar el haz • El campo magnético y la energía del haz varían sincronizadamente • La aceleración (RF) puede estar distribuida por todo el anillo (LEP) o localizada en un punto (LHC) • En teoría el haz podría quedar almacenado indefinidamente y su energía vendría limitada solo por la potencia de los imanes, PERO…

21. Límites del Sincrotrón 1. En un acelerador de leptones (e.g. e-, e+) Radiación de Sincrotrón • En el LEP (100 GeV), los electrones y positrones perdían casi 1 MeV en cada vuelta en forma de rayos gamma • Los protones del LHC (7000 GeV) perderán sólo 0.04 keV por vuelta, PERO…

22. Límites del Sincrotrón 2. En un acelerador de hadrones (e.g. p-, p+) Haz LHC →7000 GeV Tunel LEP → Radio: 3500 m → Radio arcos: 2784 m → Saturación Hierro: 2 T → B tierra: 0.00003 T • En los sincrotrones de hadrones como el LHC la dificultad no reside en incrementar la energía de las partículas (mínimas pérdidas por giro) sino en mantenerlas en la órbita (dipolos).

23. ¿Leptones o Hadrones? ¿Lineales o Circulares?

24. Aceleradores de Leptones vs. Aceleradores de Hadrones • Leptones: (e- / e+) Partículas Elementales Regla general En la física de altas energías a todo gran acelerador de hadrones le sigue uno de similar energía de leptones para hacer las medidas precisas de los descubrimientos realizados por el primero: SPS (p-p+)→ LEP (e- e+) LHC (p+ p+) → CLIC (e-) Energía muy bien definida Experimentos de precisión • Hadrones: (p- / p+) Colisiones múltiples p+ p+ quarks Lineal Energía dispersa Descubrimientos

25. Física del Haz – El Colisionador Circular

26. Principales componentes de un colisionador

27. 1. Inyección Cadena de inyección del LHC en el CERN

28. 2. Confinamiento – Storage Ring Órbita de referencia Imanes Curvatura: Dipolos Focalización: Cuadrupolos Una partícula positiva viniendo hacia nostros se focalizará en el plano vertical y defocalizará en el horizontal. La fuerza es proporcional a la distancia al centro Una partícula cargada viniendo hacia nosotros girará a izquierda o derecha según el signo de su carga

29. 2. Confinamiento – Sistema de Focalización Un gradiente de focalización alternado da un efecto gobal focalizante Diseño de un sincrotrón: Celda F-O-D-O

30. 2. Confinamiento - Oscilaciones De las ecuaciones del péndulo simple: Función betatrónica Envolvente Emitancia Idealmente, todas las trayectorias de las partículas están confinadas por una función: la raíz cuadrada de la función betatrónica y la emitancia. La emitancia, una medida del tamaño del haz y las divergencias de las partículas, viene limitado por la cadena de inyección.