SM18. Cryogenic Test Facility. CERN.

En mi segundo viaje al CERN tuve la oportunidad de visitar el hangar SM18.

Es una instalación única en el mundo para la pruebas de imanes e instrumentación a baja temperatura (1.9 K hasta 80 K) y altas corrientes eléctricas (20 kA).
Se realizan pruebas de instrumentación e imanes superconductores en bancos de pruebas verticales u horizontales y mediciones magnéticas de todo tipo en los imanes del acelerador.

Os recuerdo que el LHC es una de las mayores obras de ingeniería de la humanidad.

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Anillo circular del LHC entre las fronteras de Francia y Suiza.

El Gran Colisionador de Hadrones (LHC: Large Hadron Collider) se ubica en el antiguo túnel (27 kilómetros de circunferencia. 4.243 metros de radio) excavado para el LEP (Large Electron-Positron Collider) en el subsuelo del Oeste de Ginebra hasta las primeras estribaciones de los montes del Jura.

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Reproducción del tubo del LHC en la exposición del Centro de Visitantes,

El LEP estuvo en funcionamiento desde el año 1989 hasta el año 2000. En 2001 fue desmantelado para preparar la instalación del actual colisionador.

Como regalo os dejo esta foto del LEP del año 1985 que realicé en mi primera visita al CERN.

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Instalaciones del LEP en el CERN en 1985. Realizada durante mi viaje de paso del ecuador universitario.

El LHC se divide en lo que se denominan octantes (secciones de 45º) y  no es realmente un círculo. Está compuesto de:

  • Arcos: 8 secciones curvas de longitud 2.45 Kilómetros.
  • Inyectores: 8 secciones rectas de longitud 545 metros.

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Cada uno de los 8 arcos consta de 23 células. Y cada una de estas células tiene una longitud de 106.9 metros de longitud y alberga:

  • 154 imanes dipolares principales.
  • Imanes cuadrupolares
  • Imanes multipolares
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Estructura FODO

A lo largo del tubo del LHC se ubican 1232 dipolos superconductores, cada uno de los cuales tiene una longitud de 14.3 metros y un peso de 35 Toneladas.

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En cada una de las visitas fuimos acompañados (por doctorandos o PostDocs que nos explicaron minuciosamente la física e ingeniería del LHC. Y así se sacan una ayudita económica… Que Ginebra y Suiza son muy caras…

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Haciendo que los protones se muevan en círculos.

La función de los dipolos es curvar la trayectoria de las partículas cargadas (los protones o, en contadas ocasiones, iones pesados) que circulan por el LHC y de este modo se muevan dentro de la trayectoria cuasi circular del acelerador.

Como es habitual en el blog, anexo un modelo 3D de la sección de un dipolo:

Acceso Sketchup

Puedes verlo en una ventana nueva o descargártelo y visualizarlo en Sketchup para de este modo moverte por el modelo e ir quitando cada capa hasta ver el interior.

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Detalle de uno de los lados del dipolo.

La original forma de los dipolos genera un campo magnético de sentido contrario en cada uno de los tubos por donde circulan los protones.

Es el momento de refrescar los conocimientos de física del Bachillerato.

¿Recuerdas la Fuerza de Lorentz?

Es la fuerza que un campo electromagnético ejerce sobre una partícula cargada en movimiento y viene expresada por la ecuación

Captura
Fuerza de Lorentz para partículas cargadas en un campo magnético

Seguro que recuerdas el producto vectorial de dos vectores. El resultado (la fuerza) es perpendicular a los factores y para calcular el sentido se sigue la regla de la mano derecha.

Dado que cada haz de protones circula en sentido contrario y el campo magnético en cada haz es de distinto sentido, resulta que la fuerza centrípeta en ambos casos es hacia el interior del círculo del acelerador.

Fuerza de Lorentz
Los protones de los dos haces sienten la fuerza hacia el mismo sentido: el interior del acelerador.

Los dipolos se forman con un cable superconductor. Este cable está compuesto de filamentos de una aleación de Niobio-Titanio (Nb-Ti) que van incrustados en una matriz de cobre (Cu).

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Hilos de cobre con filamentos de aleación de Niobio-Titanio.

Cada filamento de Nb-Ti está rodeado por una fina capa de Cobre superpuro. A temperaturas inferiores a -263ºC el cobre se vuelve aislante mientras que la alineación de Nb-Ti se vuelve superconductora. Es lo que se llama un cable de Rutherford.

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Generar un campo magnético tan intenso tiene un precio ( y no me refiero al coste en electricidad).

Os recuerdo la primera ley de Ampère.

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“Conductores paralelos que lleven corrientes en la misma dirección se atraen uno al otro, mientras que si llevan direcciones opuestas se repelen”

La corriente estacionaria que hay en los dipolos circula en direcciones contrarias y por lo tanto existirá una fuerza repulsora que hace que el dipolo se separe.

Si usamos la Ley de Ampère

Ampere

La corriente en el superconductor es de ~11800 Amperios por hilo y la distancia entre los centros de cada lado del dipolo es de 90mm. Si a eso añadimos que hay 80 cables, la fuerza que se ejerce entre las dos partes del dipolo es de

2 106 Newton/metro

Eso es una fuerza muy considerable que hace que cada una de los lados del dipolo “tienda a salir volando” hacia afuera.

Para evitarlo, los dipolos y los tubos que van en su interior, se encajonan en unos collares de acero que mantienen la geometría ante las fuerzas magnéticas inducidas tendentes a separar los dipolos. Este tecnología viene de los años 70 y se desarrollo en el Tevatron de Fermilab.

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Detalle de uno de los dipolos rodeado del collar de acero.

Pero no solo hay dipolos en el anillo del LHC.

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Cuadrupolo magnético.

Del mismo modo que un dipolo magnético está caracterizado por el valor del campo magnético en un punto (Teslas), los cuadrupolos magnéticos  lo están por el gradiente (palabro que significa variación) de ese campo (Teslas/m).

El propósito de los cuadrupolos es mantener “enfocados” los paquetes de protones. Ya que existe un gradiente de campo que aumenta hacia el interior por lo que los protones  son empujados hacia el eje del haz.

Resumiendo:

  • Los dipolos magnéticos permiten curvar la trayectoria de los protones para que se muevan en una “cuasi” circunferencia (recuerda que hay secciones rectas y curvas en el anillo).
  • Los cuadrupolos magnéticos enfocan el haz para evitar la dispersión en direcciones perpendiculares a la trayectoria circular.

Acelerando los protones.

Una vez visto como se cambia la dirección del haz de protones para mantenerlo dentro del anillo kilométrico, vamos a ver cómo se le van dando “empujones” para aumentar su energía y cómo se compactan los paquetes de partículas

En la física que nos explicaron en el Bachiller (a mi en el B.U.P.) nos dijeron que una partícula cargada se acelera dentro de un campo eléctrico.

También nos dijeron que una onda electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes que transportan energía.

Los protones del haz del LHC se aceleran (en el anillo del LHC porque se inyectan en este anillo habiendo pasado previamente por anillos más pequeños que van incrementando su energía) mediante una onda electromagnética de 400 MHz (en el rango de la radiofrecuencia)

Este fenómeno se produce en las cavidades de radiofrecuencia.

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Esquema de una de las secciones que alberga las cavidades de radiofrecuencia.

Como se ve en la imagen, la cavidad es una especie de esfera achatada en la dirección del haz.

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La especial geometría de la cavidad está diseñada para que se genere una onda estacionaria en su interior.

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Una onda reflejada en las paredes de la cavidad (roja y azul) produce una onda estacionaria (negra).

Inyectar la onda electromagnética de 400 Mhz no es moco de pavo. Se inyecta por los grandes orificios mediante un acoplador de alta potencia que es uno de los elementos más delicados y que supuso un gran desafío diseñarlo y construirlo.

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De nuevo nos quitamos el sombrero ante los ingenieros del LHC. (John Steed. The Avengers)

El acoplador de alta potencia es el interfaz entre la presión atmosférica y el extremo vacío del interior del tubo así como el interfaz de temperaturas ambiente y las temperaturas criogénicas necesarias del elemento y además debe ser móvil.

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Acoplador de Alta Potencia

Las valores de acoplamiento durante el régimen de aceleración de los protones (cuando nos interesa que pase el máximo de potencia) y durante el régimen de colisiones (cuando simplemente es necesario mantener la energía) se ajustan variando cuánto se introduce este elemento dentro de la cavidad.

Se compone de un cilindro cerámico soldado en dos anillos de cobre. Soldar el cobre con la cerámica es un auténtico reto. La construcción de uno de estos acopladores dura aproximadamente 9 meses.

Pero veamos ya cómo funciona.

Cuando la frecuencia de la onda electromagnética que se inyecta por el acoplador es un múltiplo exacto de la frecuencia de revolución de los protones alrededor del anillo, éstos llegan a la cavidad siempre en el mismo punto de la onda sinusoidal del campo eléctrico.

Los protones que atraviesan la cavidad cuando el campo eléctrico asociado a la onda electromagnética es cero no se ven afectados.

Captura
El protón “amarillo” del centro del paquete que va “sobre la onda” permanece en el centro del paquete. El protón A “siente” un campo eléctrico mayor y aumenta el radio de su órbita en el anillo por lo que se retrasa. El protón B “siente” un campo eléctrico menor y disminuye el radio de su órbita por lo que se adelanta.

Debido a este efecto el paquete de protones es una nube oscilante de partículas que van “orbitando” el punto central.

La fase de la onda electromagnética se va desplazando ligeramente de modo que los paquetes reciban un pequeño empuje (debido a la fuerza eléctrica) y de este modo vayan acelerando.

Al cabo de unos 20 minutos el chorro continuo inicial de protones se ha convertido en un conjunto de paquetes girando en el anillo del acelerador.

Los protones que se inyectan en el anillo del LHC con una energía de 450 Gev, después de pasar 1 millón de veces por las cavidades, su energía alcanza los 7 Tev (casi un factor 16). En ese momento los protones dan 11.245 revoluciones por segundo dentro del anillo.

Se han formado 2808 paquetes formado cada uno por 1011 protones.

La energía acumulada en el haz es de 340 MegaJulios para lo que hemos gastado 275 Kilovatios de potencia.

Los protones ya están listos para colisionar en los puntos específicos donde se ubican los grandes detectores: ATLAS, CMS, ALICE y LHCb.

Y para acabar, un parecido razonable.

¿No se parece el extremo de una sección de dipolo con a máscara del malo malísimo científico nazi (Karl Ruprecht Kroenen) de la película de Guillermo del Toro, HellBoy?

Una visita muy interesante la del hangar SM18 ya que nuestro guía se explayó en los detalles de la historia

Y para dejar constancia, aquí el grupo de partículas 😉

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CERN cowboys … and cowgirl.

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