Descubriendo el LHC: juego de imanes

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN (Ginebra) es a día de hoy el acelerador de partículas más grande del mundo. A lo largo de sus casi 27 km de circunferencia, dos haces de protones viajando en sentidos contrarios son acelerados hasta unas 0.999999991 veces la velocidad de la luz hasta una energía de 7 TeV cada uno (marca que se alcanzará a partir de diciembre de 2014).

Tunel del LHC con el detalle de un dipolo

Tunel del LHC con el detalle de un dipolo

Cada haz está compuesto por 280 trillones de protones, organizados en 2808 paquetes formando una especie de racimo o collar de cuentas (es decir, el haz no es continuo, sino que va por impulsos). La energía combinada de tantos protones es brutal. Para hacernos una idea, cada haz lleva una energía igual a la de un tren de alta velocidad viajando a 200 kilometros por hora (362 megajulios), concentrada en escasos milímetros.

Esta energía tiene el potencial peligro de destruir cualquier cosa que toque, por lo que la manipulación de los haces debe ser lo más precisa posible. Entonces, ¿cómo controlamos los protones sin reventar ningun elemento por el camino? Pues consiguiendo que mientras viajan a toda velocidad por el tunel oscilen en el plano perpendicular.

Movimiento betatron de los protones en el LHC, entre los experimentos ATLAS y ALICE (simulado con SixTrack).

Movimiento betatrón de los protones en el LHC, entre los experimentos ATLAS y ALICE. Cada punto es un protón. Simulación de 2000 protones, imagínate con 280 trillones.

Y ¿cómo conseguimos este movimiento tan hipnótico? La respuesta es con campos magnéticos. El LHC utiliza unos 6500 imanes superconductores, que deben mantenerse a una temperatura inferior a la del Espacio Exterior (1,9 K o -271 C).

El acelerador se diseña alrededor de una trayectoria de referencia. Ésta consta de secciones rectas y zonas curvas. Las secciones rectas son necesarias para colocar los detectores de partículas y ensamblar otros componentes (colimadores, dump, etc).

Esquema del LHC, donde se aprecian las secciones curvas y las secciones rectas.

Esquema del LHC, donde se aprecian las secciones curvas y las secciones rectas.

Para entender el movimiento de los protones en un acelerador circular necesitamos como mínimo dos tipos de imanes. Por un lado, los dipolos son imanes que producen un campo magnético uniforme. Son los encargados de desviar la trayectoria de los protones, haciendo que describan una órbita cerrada.  

Esquema de un proton siendo desviado por un dipolo

Esquema de un protón siendo desviado por un dipolo

Los aceleradores lineales son muy limitados tanto en fase de aceleración como en tamaño. Los aceleradores circulares son más versátiles, pero nos vemos en la obligación de introducir componentes que curven el haz, obligándolo a mantenerse dentro del túnel. El LHC tiene 1232 dipolos de unos 15 metros cada uno, que tuercen la dirección del haz ligeramente hasta que éste realiza una vuelta completa.

Dipolos del LHC. Cada cilindro lleva un haz de protones en un sentido.

Dipolos del LHC. Cada cilindro lleva un haz de protones en un sentido.

Pero con esto no tenemos todo. Debido a posibles errores, perturbaciones o
directamente a que no todas las partículas se curvan por igual, se puede perder el haz
rápidamente al salir de las zonas de curvado, como sucedería con un láser. Por ello
necesitamos cuadrupolos para enfocar o desenfocar el haz y poder manipularlo mejor.  Así evitamos que los protones se dispersen y colisionen con las paredes.

Analogo optico al efecto de los cuadrupolos sobre el haz.

Análogo óptico al efecto de los cuadrupolos sobre el haz.

Nos gustaría obtener fuerzas del tipo oscilador armónico para mantener las partículas oscilando alrededor de la trayectoria de referencia, como en la animacion que mostré más arriba. Los cuadrupolos nos dan exactamente esto, pues sus campos magnéticos dependen linealmente de las coordenadas. Con esto obtenemos un efecto similar a un juego de lentes.

Cuadrupolo de enfoque y desenfoque. Observa que cuando el cuadrupolo enfoca en una direccion, desenfoca en la otra.

Cuadrupolo de enfoque y desenfoque. Observa que cuando el cuadrupolo enfoca en una direccion, desenfoca en la otra.

Según los signos de los campos magnéticos en una u otra dirección obtendremos cuadrupolos de enfoque o cuadrupolos de desenfoque. Usando una combinación de ambos solucionamos nuestro problema de movimiento inestable. Mantendremos el haz enfocado en ambas direcciones transversales cuando elijamos bien la fuerza, tipo y posición de los cuadrupolos en el acelerador.

Cuadrupolo del LHC. Se aprecian los cuatro imanes dispuestos en forma de cruz.

Cuadrupolo del LHC. Se aprecian los cuatro imanes dispuestos en forma de cruz.

El movimiento oscilatorio en el plano perpendicular a la dirección de movimiento del haz se conoce como movimiento u oscilación de betatrón. Este nombre tiene su origen en los estudios de estabilidad de las orbitas en los antiguos betatrones, los aceleradores de electrones desarrollados en los años 40 del siglo pasado.

Los protones describen un movimiento de oscilacion alrededor de la posicion de equilibrio

Los protones describen un movimiento de oscilación alrededor de la posicion de equilibrio

Por supuesto, sólo con estos dos tipos de imanes no podríamos construir un acelerador estable. Hay muchos otros tipos de imanes en los aceleradores circulares, como los sextupolos, octupolos, y otros multipolos de orden superior. Son imanes más complicados que solucionan problemas concretos de la manipulación del haz, como la aberración cromática, las distorsiones en los campos magnéticos, las correcciones en la órbita cerrada… Pero eso lo dejaremos para otra ocasión.

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