aceleradores em física de partículas
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Aceleradores em Física de Partículas. Luis Peralta FCUL e LIP. Porquê acelerar as partículas ?. A energia é transformada em massa na colisão. E = g mc 2. E às vezes acontecem surpresas!. Energia do feixe. Unidade de Energia – electrão-volt (eV). 1 eV = 1,602 x 10 -19 joule - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Aceleradores de Partículas
Aceleradores em Física de Partículas
Luis Peralta
FCUL e LIP
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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
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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
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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
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5Aceleradores de Partículas
Colisionadores
Energia útil = Energia no centro de massa
ACELERADOR
Protão com
energia E
Ecm = 2·E
ACELERADOR
Protão com
energia E
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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
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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
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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
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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 !
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10Aceleradores de Partículas
Esquema básico do acelerador de partículas
Fonte de partículas
Transporte
Aceleração
Extracção -> Experiência
Transporte
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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
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Aceleradores de Partículas
Fontes de partículas
Cathode
Gas in
Anode
Plasma
protons out (~300 mA)
Duoplasmatron from CERNs Linac-Homepage
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13Aceleradores de Partículas
Como acelerar as partículas?
Força de Lorentz
E(t) aumenta a energía B(t) modifica a trajectória
)( BvEqF
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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-
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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
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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
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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
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18Aceleradores de Partículas
Tornando os aceleradores mais compactos
Aceleracão Linear
Aceleração Circular
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Aceleradores de Partículas
vqBr
mv2
=
r
v=ω
m2
qB
=f frequência
do ciclotrão
O ciclotrão
força centripeta = força Lorentz
E. Lawrence 1929
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Aceleradores de Partículas
desenhos de Dave Judd e Ronn MacKenzie
O ciclotrão visto por...
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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
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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
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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
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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
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25Aceleradores de Partículas
Componentes principais de um colisionador
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26Aceleradores de Partículas
Injecção
Cadeia de injecção do LHC no CERN
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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
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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
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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…!
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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
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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)
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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
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33Aceleradores de Partículas
Aceleração – Cavidades RF do LHC
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34Aceleradores de Partículas
![Page 35: Aceleradores em Física de Partículas](https://reader035.vdocuments.com.br/reader035/viewer/2022062314/56812b20550346895d8f1f4c/html5/thumbnails/35.jpg)
35Aceleradores de Partículas
ExtracciónRF
CMS
ATLAS
LHC-BALICE
InjectionInjection
Momentum Beam Cleaning (warm)
IR7: Betatron Beam Cleaning (warm)
Beam dump blocks
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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