Colisionadores de partículas: ¿por qué necesitan una cadena aceleradora?

En primer lugar, el esquema del complejo acelerador del CERN que publicaste contiene no solo esa cadena única que lleva los protones al LHC, sino también varias otras cadenas que se utilizan para muchos experimentos de baja energía realizados en paralelo en el CERN.

Pero centrémonos en la cadena de aceleradores del LHC: ¿por qué necesitamos varios aceleradores sucesivos en lugar de uno solo? La respuesta es muy intuitiva desde el punto de vista de la ingeniería: tecnológicamente, es mucho más fácil construir varios dispositivos especializados para rangos diferentes pero limitados de algún parámetro físico que construir un solo dispositivo que muestre un rendimiento excelente en todo el amplio rango .

Un ejemplo en el transporte: los autos son buenos para viajar a menor velocidad, los aviones son buenos para viajar rápido. Es extremadamente difícil construir un vehículo que tenga un rendimiento igualmente bueno en todo el rango de velocidades de 1 km/h a 1000 km/h. Otro ejemplo lo dan los sistemas acústicos profesionales que suelen incluir varios altavoces optimizados para diferentes rangos de frecuencia.

Lo mismo para los aceleradores. Aquí el punto clave no es la energía de los protones per se , sino la calidad del haz a una energía dada. La aceleración de protones es (técnicamente) un problema menor; el problema principal es mantener el rayo seguro y con buen comportamiento. Si profundiza un poco en el sitio web del CERN, pronto se dará cuenta de que estos aceleradores tienen características bastante distintas y cada uno de ellos fue optimizado para su propio rango de energía y sus propios propósitos. Algunos de ellos sirven para acumular partículas, otros están especializados en romper los haces en racimos. En cada etapa, debe enfriar los rayos, descargar oscilaciones, etc., y esto se hace de manera diferente a diferentes energías.

En principio, se podría pensar en un acelerador que ocuparía el anillo LHC y tomaría los protones a una energía muy baja (digamos, 1 MeV) y los aceleraría hasta varios TeV. Dado que los protones deben circular siempre en el mismo anillo, el campo magnético debe ser regulable (con altísima precisión y altísima homogeneidad espacial) desde unos pocos microteslas hasta varios teslas, en el rango de seis órdenes de magnitud. El sistema de seguimiento del haz también debe adaptarse para medir con precisión las corrientes de protones que difieren en 6 órdenes de magnitud. Los requisitos similares se imponen a los imanes de dirección del haz, corrección de órbita y enfoque, a los imanes impulsores y a muchos otros componentes del acelerador. En resumen, aunque técnicamente posible, sería demasiado difícil y demasiado caro.

Además, normalmente: Historia. La mayoría de las máquinas en la cadena del acelerador LHC (bueno, además de los LINAC, que siempre se han utilizado principalmente como etapas iniciales para el PS) alguna vez fueron herramientas de investigación de vanguardia. Al construir el diseño de la próxima generación, el antiguo acelerador ya está ahí y generalmente se entiende bien, por lo que es natural incluirlo en el diseño.

Me gusta la primera respuesta ya que es bastante general. Pero, por ejemplo, en el caso de los sincrotrones, puede hacer la siguiente declaración simple:

• El rango de la energía de sincrotrón desde la inyección hasta la extracción es el mismo que el rango del campo magnético; los ciclos del campo magnético en un sincrotrón, y la energía de la partícula varía según ese campo.

• El campo más bajo posible está determinado por el momento en que el campo del dipolo se vuelve comparable al campo de la Tierra oa otros campos dispersos en el túnel del acelerador, o cuando se vuelve sensible a la histéresis.

• El campo más alto posible está determinado por el material del que están hechos tus imanes. Si están ciclando, es casi seguro que sean electroimanes de conducción normal, y prácticamente estos están limitados en sincrotrones a 1,2 a 1,4 Tesla.

• La relación de energía de extracción/inyección en un sincrotrón es solo la relación del campo dipolar máximo/mínimo. Esta proporción es de aproximadamente 200.