El Sincrotrón de Protones ( PS, a veces también denominado CPS [1] ) es un acelerador de partículas en el CERN . Es el primer sincrotrón del CERN, que comenzó a funcionar en 1959. Durante un breve período, el PS fue el acelerador de partículas de mayor energía del mundo . Desde entonces ha servido como preacelerador para los Anillos de Almacenamiento Intersecantes ( ISR ) y el Super Sincrotrón de Protones ( SPS ), y actualmente forma parte del complejo acelerador del Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ). Además de protones , el PS ha acelerado partículas alfa , núcleos de oxígeno y azufre , electrones , positrones y antiprotones . [2]
En la actualidad, el PS forma parte del complejo de aceleradores del CERN. Acelera protones para el LHC, así como para otras instalaciones experimentales del CERN. Utilizando una fuente de iones de hidrógeno negativos , los iones se aceleran primero a la energía de 160 MeV en el acelerador lineal Linac 4. A continuación, se despoja al ion de hidrógeno de ambos electrones, dejando solo el núcleo que contiene un protón, que se inyecta en el Proton Synchrotron Booster ( PSB ), que acelera los protones a 2 GeV, seguido por el PS, que empuja el haz a 25 GeV. [3] A continuación, los protones se envían al Super Proton Synchrotron y se aceleran a 450 GeV antes de ser inyectados en el LHC. El PS también acelera iones pesados del Low Energy Ion Ring ( LEIR ) a una energía de 72 MeV, para colisiones en el LHC.
El sincrotrón (como en Sincrotrón de Protones ) es un tipo de acelerador cíclico de partículas , descendiente del ciclotrón , en el que el haz de partículas aceleradas viaja alrededor de una trayectoria fija. El campo magnético que dobla el haz de partículas en su trayectoria fija aumenta con el tiempo y está sincronizado con la energía creciente de las partículas. A medida que las partículas viajan alrededor de la trayectoria circular fija, oscilarán alrededor de su órbita de equilibrio , un fenómeno llamado oscilaciones betatrón .
En un sincrotrón convencional, el enfoque de las partículas circulantes se logra mediante un enfoque débil : el campo magnético que guía las partículas alrededor del radio fijo disminuye ligeramente con el radio, lo que hace que las órbitas de las partículas con posiciones ligeramente diferentes se aproximen entre sí. La cantidad de enfoque de esta manera no es muy grande y, en consecuencia, las amplitudes de las oscilaciones del betatrón son grandes. El enfoque débil requiere una gran cámara de vacío y, en consecuencia, imanes grandes. La mayor parte del costo de un sincrotrón convencional son los imanes. El PS fue el primer acelerador del CERN que utilizó el principio de gradiente alterno , también llamado enfoque fuerte: se utilizan imanes cuadrupolares para enfocar alternativamente horizontal y verticalmente muchas veces alrededor de la circunferencia del acelerador. El enfoque de la partícula puede, en teoría, llegar a ser tan fuerte como se desee, y la amplitud de las oscilaciones del betatrón tan pequeña como se desee. El resultado neto es que se puede reducir el costo de los imanes.
Cuando a principios de los años 50 empezaron a tomar forma los planes para un laboratorio europeo de física de partículas , surgieron dos proyectos de aceleradores diferentes. Una máquina debía ser de tipo estándar, fácil, relativamente rápida y barata de construir: el sincrociclotrón , que lograría colisiones a una energía en el centro de masas de 600 MeV. El segundo dispositivo era una empresa mucho más ambiciosa: un acelerador más grande que cualquier otro existente hasta entonces, un sincrotrón que podría acelerar protones hasta una energía de 10 GeV: el PS.
En mayo de 1952 se creó un grupo de diseño con Odd Dahl a cargo. [4] Otros miembros del grupo fueron, entre otros, Rolf Widerøe , Frank Kenneth Goward y John Adams . Después de una visita al Cosmotron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en los EE. UU., el grupo se enteró de una nueva idea para fabricar máquinas más baratas y de mayor energía: el enfoque de gradiente alterno . La idea era tan atractiva que se abandonó el estudio de un sincrotrón de 10 GeV y se inició un estudio de una máquina que implementara la nueva idea. [5] Usando este principio, se podría construir un acelerador de 30 GeV por el mismo costo que un acelerador de 10 GeV usando enfoque débil. [5] Sin embargo, cuanto más fuerte sea el enfoque, mayor será la precisión de alineación de los imanes requerida. Esto resultó ser un problema grave en la construcción del acelerador.
Un segundo problema en el periodo de construcción fue el comportamiento de las máquinas en una energía llamada "energía de transición". En este punto el aumento relativo de la velocidad de las partículas pasa de ser mayor a ser menor, provocando que la amplitud de la oscilación del betatrón se haga cero y se pierda la estabilidad del haz. Esto se solucionó mediante un salto , o un cambio brusco en la aceleración, en el que los pulsos cuádruples hicieron que los protones atravesaran el nivel de energía de transición mucho más rápido.
El PS fue aprobado en octubre de 1953, como un sincrotrón de 25 GeV de energía con un radio de 72 metros, y un presupuesto de 120 millones de francos suizos . [6] La potencia de enfoque elegida requería una cámara de vacío de 12 cm de ancho y 8 cm de alto, con imanes de unas 4000 toneladas de masa total. Dahl dimitió como jefe del proyecto en octubre de 1954 y fue sustituido por John Adams . En agosto de 1959 el PS estaba listo para su primer haz, y el 24 de noviembre la máquina alcanzó una energía de haz de 24 GeV. [4]
A finales de 1965, el PS era el centro de una red de líneas de haz: suministraba protones al South Hall ( sitio de Meyrin ), donde un objetivo interno producía cinco haces secundarios, que servían a un experimento de neutrinos y a un anillo de almacenamiento de muones ; al North Hall (sitio de Meyrin), donde dos cámaras de burbujas ( Saclay de hidrógeno de 80 cm , CERN de líquido pesado) eran alimentadas por un objetivo interno; cuando el East Hall (sitio de Meyrin) estuvo disponible en 1963, los protones del PS golpeaban un objetivo interno que producía un haz secundario filtrado por separadores electrostáticos hacia la cámara de burbujas de 2 m del CERN y experimentos adicionales. [7]
Junto con la construcción de los anillos de almacenamiento entrecruzados (ISR), en 1965 se decidió un programa de mejora para el PS, que también hizo espacio para los experimentos de Gargamelle y la Gran Cámara de Burbujas Europea . La energía de inyección del PS se aumentó mediante la construcción de un propulsor de cuatro anillos de 800 MeV, el Proton Synchrotron Booster (PSB), que entró en funcionamiento en 1972. [7]
En 1976, el Super Sincrotrón de Protones (SPS) se convirtió en un nuevo cliente del PS. Cuando el SPS comenzó a funcionar como un colisionador de protones y antiprotones (el Sp p S ), el PS tenía la doble tarea de producir un intenso haz de protones de 26 GeV/c para generar antiprotones a 3,5 GeV/c que se almacenarían en el Acumulador de Antiprotones ( AA ) y, luego, acelerar los antiprotones a 26 GeV/c para transferirlos al SPS.
El acelerador lineal , que ahora sirve al PSB, fue reemplazado en 1978 por Linac 2 , lo que llevó a un aumento adicional en la intensidad. [7] Durante este período, la aceleración de iones ligeros entró en escena. Linac 1, que fue reemplazado por Linac 2, fue equipado para acelerar deuterones que se aceleraron en el PS y se transfirieron al ISR donde colisionaron con protones o deuterones.
Cuando el anillo antiprotón de baja energía ( LEAR ), para la desaceleración y el almacenamiento de antiprotones, entró en funcionamiento en 1982, el PS retomó el nuevo papel de desacelerador de antiprotones. Desaceleró antiprotones del AA a 180 MeV y los inyectó en el LEAR. Durante este período, el complejo PS realmente se ganó su apodo de "fábrica de partículas versátil". [7] Hasta 1996, el PS aceleraría regularmente iones para experimentos de objetivo fijo del SPS, protones para el East Hall o la producción de antiprotones en el AA, desaceleraría protones para el LEAR y más tarde aceleraría electrones y positrones para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones ( LEP ).
Para proporcionar leptones al LEP, se tuvieron que añadir tres máquinas más al complejo PS: el acelerador lineal de electrones LIL-V, el acelerador lineal de electrones y positrones LIL-W y el anillo de almacenamiento EPA (acumulador de electrones y positrones). Se tuvo que añadir una pequeña cantidad de hardware adicional para modificar el PS de un sincrotrón de protones de 25 GeV a un sincrotrón de leptones de 3,5 GeV.
Durante este período, también aumentó la demanda de iones más pesados para suministrarlos como haz primario a la sala experimental norte del SPS ( sitio de Prévessin ). Se aceleraron con gran éxito los iones de azufre y de oxígeno .
Tras finalizar su funcionamiento como inyector LEP, el PS inició un nuevo periodo de funcionamiento en preparación como inyector LHC y para nuevos experimentos de objetivo fijo. En la zona Este se iniciaron nuevos experimentos, como el experimento CLOUD . El complejo PS también fue remodelado al sustituir la zona AA por el Decelerador de Antiprotones y su zona experimental.
Al aumentar la energía del PSB y del Linac 2, el PS alcanzó intensidades récord en 2000 y 2001. Durante todo el año 2005, el PS estuvo cerrado: los daños por radiación habían causado el envejecimiento de los imanes principales. Los imanes, cuya vida útil se había estimado originalmente en menos de 10 años, habían superado la estimación en más de un factor de cuatro y fueron sometidos a un programa de renovación. Se vació el túnel, se renovaron los imanes y se realineó la máquina. En 2008, el PS comenzó a funcionar como preacelerador del LHC. Simultáneamente, la operación de iones cambió: el LEAR se convirtió en un anillo de almacenamiento (el anillo de iones de baja energía o LEIR, por sus siglas en inglés) y el PSB dejó de ser un inyector de iones.
El PS está construido en un túnel, en el que la temperatura se controla a ± 1°. Alrededor de la circunferencia, 628 metros, hay 100 unidades magnéticas de 4,4 m de longitud nominal, 80 sectores rectos cortos de 1,6 m y 20 sectores rectos de 3 m. [7] Dieciséis secciones rectas largas están equipadas con cavidades de aceleración, 20 cortas con lentes de corrección cuádruple y 20 cortas con conjuntos de lentes séxtuples y octilletes. Otras secciones rectas están reservadas para estaciones de observación de haces y dispositivos de inyección, objetivos e imanes de eyección.
Como la alineación de los imanes es de suma importancia, las unidades están montadas sobre un anillo flotante de hormigón de 200 metros de diámetro. [5] Como precaución adicional, el anillo de hormigón tiene tubos de acero fundidos en él, por donde pasa agua para mantener una temperatura constante en los imanes.
Utilizando un haz de neutrinos producido por un haz de protones de PS, el experimento Gargamelle descubrió corrientes neutrales en 1973.
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