¿Porque colisionar Partículas? CERN.

Anne Marie, respondiendo a tu pregunta...

¿Porque colisionar Partículas?

Este es el túnel subterráneo del anillo acelerador del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) , donde los haces de protones son guiados en trayectoria circular por medio de imanes.. El acelerador LHC es la instalación (entre Francia y Suiza) que contendrá el detector ATLAS.

Alrededor de 100 años atrás, Ernest Rutherford fue el primero en reconocer que mucho se podría haber aprendido en escala atómica de las partículas que chocan entre sí, estudiando los detalles de lo que ocurrió como resultado de las colisiones. Al no tener aceleradores de partículas, utilizó átomos de helio (menos sus electrones) para bombardear átomos de una amplia variedad de materiales. Los átomos de helio se producen a lo que entonces eran alta energía (algunos MeV) en el decaimiento radiactivo de elementos pesados.

Entonces observó las direcciones en las que el átomo de helio fueron desviados por el átomo en
cuestión, y encontró, para su sorpresa, que algunos pocos fueron desviados a través en ángulos muy grandes. A continuación llegó a la inesperada conclusión de que la casi totalidad de la masa del átomo se concentraba en una región de alrededor de 1 / 100.000 del radio del átomo. Esta región es la que ahora llamamos el núcleo atómico.

Desde el Decaimiento Radioactivo a Aceleradores y Colisionadores

Los aceleradores actuales han aumentado la energía disponible por haz unas 100.000 en decaimiento radiactivo. Puesto que son fuerzas eléctricas las que se utilizan para acelerar el haz de partículas, las partículas deben tener carga eléctrica. En la práctica, el haz de partículas son electrones o protones, o sus anti-partículas, positrones o antiprotones.

El Gran Colisionador de Hadrones(LHC) acelerará dos haces de protones en contra-rotación a energías de 7 TeV, alrededor de un millón de veces más grandes que las energías de decaimiento radiactivo. El objetivo será tener una colisión de un haz de protones que chocan con otros protones del otro haz, de ahí el nombre de “Colisionador”.

¿ Que Determina la Energía del LHC?

Los protones de alta energía viajan dentro de los tubo de vacío en un túnel subterráneo. Ellos se mantienen en órbitas aproximadamente circulares por fuertes campos magnéticos producidos por imanes superconductores. Cuanto mayor sea la energía, cuanto mayor sea la órbita, el túnel más largo, más imanes son necesario, y más alto es el costo. El túnel del LHC de 16 millas de largo, es mayor que cualquier acelerador de partículas del mundo.

Usando Imanes para Mantener los Protones en órbitas

Magnetic field Campo magnético

Velocity: Velocidad

Magnetic force on protón: Fuerza magnética sobre el protón.

En un campo magnético que apunta verticalmente hacia arriba, los protones viajando hacia su derecha mantienen una fuerza magnética apuntando hacia usted, y los protones viajando a su izquierda se sienten una fuerza opuesta a usted.

Para tener un fuerza de sentido hacia Ud. en los protones de la izquierda se requeriría un campo magnético en la dirección opuesta, hacia abajo.

Por lo tanto, dos haces de protones en direcciones opuestas pueden seguir el mismo trayecto circular horizontal sólo si se mueven en campos magnéticos verticales opuestos.

Esto puede suceder sólo si los dos haces de protones se encuentran en tubos separados atravesando campos magnéticos directamente opuestos.

Esto puede lograrse ya sea teniendo tuberías de haz separadas del haz con campos magnéticos opuestamente dirigidos o, de manera más barata, mediante el uso de imanes “dos-en-uno” imanes, como se hace en el LHC.

Como Colisionar Protones

Iron Yoke Center Piece : Pieza central del núcleo de hierro
Iron Yoke Outer Piecek : Pieza externa núcleo de Hierro
Beam Channel : Canal del haz
Superconducting Coil: Bobina Superconductora
Steel Collars: Collares de Acero
Shrinking Cylinder: Cilindro Reductor
Two-in-one Magnet: Imán dos en uno

Puesto que los dos haces de protones viajan tubos separados pasando a través campos magnéticos dirigidos opuestamente, ¿cómo chocan? En determinados lugares del anillo, llamados “puntos de colisión”, no existen campos magnéticos, y los protones se mueven en líneas rectas. En esos lugares, los dos haces se pueden juntar en un solo recinto de vacío y permitir su colisión frontal.

LHC RING = ANILLO LHC

Protons Beams = Haces de protones

Proton injector = Injector de protones

Experimental Hall ( Colision point) = Hall Experimental (Punto de Coliisón)

Booster Ring = Anillo propulsor

Detector for ATLAS experiment = Detector para el experimento ATLAS

¿Cuántas Colisiones?

Si dos racimos de protones se juntan de frente, el número de colisiones entre protones de un haz de protones y los del otro haz podría ser de diez, uno, o incluso cero. ¿Cuan a menudo suceden realmente las colisiones? Para un montón de tamaño fijo, esto depende de cuántos protones hay en cada grupo, y cuan grande es cada protón

En realidad un protón puede groseramente tener un radio de más o meno a 10-15 metros.
Si Ud. tiene racimos de 10-6 metros de radio, y sólo, por ejemplo, el 10 de protones en cada grupo, la posibilidad de que una colisión protón-protón cuando dos racimos se juntan sería muy pequeño.

Por otro lado, si cada racimo tiene un billón-billón (1018) de protones de manera que la totalidad de su sección transversal esté llena con protones, cada protón de un pelotón que chocan con uno del otro grupo, y usted tendría una colisión mil millones - mil millones por cada cruce de racimo.

El LHC está en situación entre esos dos extremos, unas pocas colisiones (hasta 20) por cruce de racimo, lo cual requiere alrededor de mil millones de protones en cada racimo.

Luminosidad de un Colisionador

Esta discusión está relacionada con lo que comúnmente se denomina la luminosidad de las colisiones. La tasa de colisiones de protones (número por unidad de tiempo) es proporcional a la área de sección transversal de un protón y también depende del diseño del colisionador. Un alto índice de colisiones requiere racimo de tamaño pequeño, muchos protones por racimo, y muchos cruces de racimo por unidad de tiempo. Estas propiedades, que dependen del diseño de las colisionador, se pueden combinar en un único parámetro útil, luminosidad. Luminosidad se define como la constante de proporcionalidad entre la tasa de colisión protón-protón y área del protón. En la física de partículas experimental, el logro de alta luminosidad es tan importante como el logro de alta energía.

¿Por qué se necesita una gran luminosidad ?

No todas las colisiones producen los mismos efectos, y los tipos de colisiones que estamos tratando de estudio son sumamente raras. Por lo tanto, necesitamos un gran número de colisiones ordinario (de ahí gran cantidad de luminosidad) para ver sólo algunas de las interesantes.

Con la anticipada luminosidad del LHC, se espera tener tantas como un billón de colisiones por segundo, de las cuales a lo más de 10 a 100 por segundo pueden ser potencialmente de interés científico. De hecho, algunos de los más interesantes tipos de colisión son tan raras que pueden ocurrir cada unas pocas horas o incluso cada pocos días. Si la luminosidad fuera un décimo como mucho, se podría ver solo una cada pocas semanas y hacer hacer los descubrimientos bastante más difíciles. Lograr la luminosidad propuesta representa un desafío técnico tremendo.

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