El sincrotrón de protones ( PS, a veces también denominado CPS [1] ) es un acelerador de partículas del CERN . Es el primer sincrotrón del CERN , iniciando su funcionamiento 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 Intersectantes ( ISR ) y el Sincrotrón Súper Protón ( SPS ), y actualmente forma parte del complejo acelerador del Gran Colisionador de Hadrones ( LHC ). Además de los protones , el PS tiene partículas alfa aceleradas , núcleos de oxígeno y azufre , electrones , positrones y antiprotones . [2]
Actualmente, el PS forma parte del complejo de aceleradores del CERN. Acelera protones para el LHC y para otras instalaciones experimentales del CERN. Utilizando una fuente de iones de hidrógeno negativos , los iones se aceleran primero hasta la energía de 160 MeV en el acelerador lineal Linac 4 . Luego se despoja al ion de hidrógeno de ambos electrones, dejando solo el núcleo que contiene un protón, que se inyecta en el impulsor de sincrotrón de protones ( PSB ), que acelera los protones a 2 GeV, seguido por el PS, que empuja el haz a 25 GeV. . [3] Luego, los protones se envían al Super Sincrotrón de Protones y se aceleran a 450 GeV antes de ser inyectados en el LHC. El PS también acelera iones pesados del anillo de iones de baja energía ( LEIR ) con una energía de 72 MeV, para colisiones en el LHC.
El sincrotrón (como en Proton Synchrotron ) es un tipo de acelerador de partículas cíclico , descendiente del ciclotrón , en el que el haz de partículas acelerado viaja alrededor de una trayectoria fija. El campo magnético que desvía el haz de partículas hacia su trayectoria fija aumenta con el tiempo y está sincronizado con el aumento de energía de las partículas. A medida que las partículas viajan a lo largo 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, provocando que las órbitas de las partículas con posiciones ligeramente diferentes se aproximan 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. Un enfoque débil requiere una gran cámara de vacío y, en consecuencia, grandes imanes. La mayor parte del coste 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 cuadrupolos para enfocar alternativamente horizontal y verticalmente muchas veces alrededor de la circunferencia del acelerador. En teoría, el enfoque de la partícula puede 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 coste de los imanes.
Cuando a principios de la década de 1950 comenzaron a tomar forma los planes para un laboratorio europeo de física de partículas , surgieron dos proyectos diferentes de aceleradores. Una máquina iba a ser de tipo estándar, fácil, relativamente rápida y barata de construir: el sincrociclotrón , que lograría colisiones con una energía del centro de masa de 600 MeV. El segundo dispositivo era una empresa mucho más ambiciosa: un acelerador más grande que cualquier otro existente entonces, un sincrotrón que podía 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 del Laboratorio Nacional Brookhaven en EE. UU., el grupo conoció 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 el estudio de una máquina que implementaría la nueva idea. [5] Utilizando este principio, se podría construir un acelerador de 30 GeV por el mismo coste que un acelerador de 10 GeV utilizando un 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 grave problema en la construcción del acelerador.
Un segundo problema durante el período de construcción fue el comportamiento de las máquinas con una energía llamada "energía de transición". En este punto, el aumento relativo en la velocidad de las partículas cambia de mayor a menor, lo que hace que la amplitud de la oscilación del betatrón llegue a cero y se pierda la estabilidad del haz. Esto se resolvió mediante un salto , o un cambio repentino en la aceleración, en el que los cuádruples pulsados hacían 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 fuerza de enfoque elegida requirió una cámara de vacío de 12 cm de ancho y 8 cm de alto, con imanes de aproximadamente 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 telaraña de líneas de rayos: suministraba protones al Salón Sur ( sitio de Meyrin ), donde un objetivo interno producía cinco rayos secundarios, que servían para un experimento de neutrinos y un anillo de almacenamiento de muones ; el Salón Norte (sitio de Meyrin), donde dos cámaras de burbujas ( Saclay de hidrógeno de 80 cm , líquido pesado del CERN) eran alimentadas por un objetivo interno; Cuando el East Hall (sitio de Meyrin) estuvo disponible en 1963, los protones del PS golpearon un objetivo interno produciendo 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 intersectantes (ISR), en 1965 se decidió un programa de mejora para el PS, dejando también espacio para los experimentos de Gargamelle y la Gran Cámara de Burbujas Europea . La energía de inyección del PS se incrementó 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 Proton Synchrotron (SPS) se convirtió en un nuevo cliente del PS. Cuando el SPS comenzó a funcionar como un colisionador protón - antiprotón (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 y almacenarlos en el acumulador de antiprotones ( AA). ), y luego acelerar los antiprotones a 26 GeV/c para transferirlos al SPS.
El acelerador lineal , que actualmente sirve al PSB, fue sustituido en 1978 por el Linac 2 , lo que provocó un nuevo aumento de intensidad. [7] Durante este período la aceleración de los iones ligeros entró en escena. Linac 1, que fue reemplazado por Linac 2, estaba equipado para acelerar deuterones que eran acelerados en el PS y transferidos al ISR donde chocaban 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, PS retomó el nuevo papel de desacelerador de antiprotones. Desaceleró antiprotones del AA a 180 MeV y los inyectó en LEAR. Durante este período, el complejo PS se ganó realmente el sobrenombre de "fábrica de partículas versátiles". [7] Hasta 1996, PS aceleraría regularmente iones para experimentos de objetivo fijo de SPS, protones para el East Hall o la producción de antiprotones en AA, desaceleraría protones para LEAR y luego aceleraría electrones y positrones para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones ( LEP). ).
Para proporcionar leptones al LEP, se tuvieron que agregar 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 agregar una modesta cantidad de hardware adicional para modificar 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 ser entregados como haz primario a la sala experimental SPS Norte ( sitio de Prévessin ). Tanto los iones de azufre como los de oxígeno se aceleraron con gran éxito.
Después del final de su funcionamiento como inyector LEP, el PS comenzó un nuevo período de funcionamiento en preparación como inyector LHC y para nuevos experimentos con objetivos fijos. Nuevos experimentos comenzaron a realizarse en el área Este, como el experimento CLOUD . El complejo PS también fue remodelado al reemplazar el área AA por el Desacelerador Antiprotones y su área 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 apagado: los daños por radiación habían provocado el envejecimiento de los imanes principales. Los imanes, cuya vida útil se estimó originalmente en menos de 10 años, superaron la estimación en más de un factor de cuatro y pasaron por un programa de renovación. Se vació el túnel, se restauraron los imanes y se realineó la máquina. En 2008, PS empezó a funcionar como preacelerador del LHC. Simultáneamente, el funcionamiento de los iones cambió: LEAR se convirtió en un anillo de almacenamiento (el anillo de iones de baja energía (LEIR)) 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 correctoras cuádruples y 20 cortas con juegos de lentes séxtuples y octillizos. Otros tramos rectos están reservados 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 se montan sobre un anillo de hormigón que flota libremente, de 200 metros de diámetro. [5] Como precaución adicional, el anillo de hormigón tiene tubos de acero fundidos en él, por donde pasa el agua a través del anillo para mantener una temperatura constante en los imanes.
Utilizando un haz de neutrinos producido por un haz de protones del PS, el experimento Gargamelle descubrió corrientes neutras en 1973.
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