Por qué Linac 4 usa iones de hidrógeno negativos en lugar de protones

Dibujo20170510 linac4 particle accelerator cern

El 9 de mayo de 2017 se inauguró el acelerador de partículas Linear Accelerator 4 (Linac 4), de 80 metros de longitud, en el CERN. Acelera iones de hidrógeno negativos H, es decir, protones rodeados de parejas de electrones, hasta una energía de 160 MeV. Se usará para inyectar protones en el futuro HL-LHC a partir de 2025. Hasta 2022 se inyectan usando Linac 2, que acelera protones, es decir, iones de hidrógeno positivos H+, hasta 50 MeV; por cierto, Linac 3 acelera iones de plomo.

¿Por qué Linac 4 acelera H en lugar de los H+ que acelera Linac 2? El proceso es más complicado, porque hay que lidiar con un número mayor de fuentes de pérdidas, por lo que la razón está más allá del propio Linac 4. El motivo más importante es evitar el teorema de Liouville. Según afirma es imposible incrementar la densidad de partículas en el espacio de fases (decrementar la llamada emitancia del haz) usando fuerzas conservativas. Pero nada impide hacerlo usando fuerzas disipativas, como el proceso por el que los H pierden sus electrones (la colisión con un blanco de grafito). Gracias a ello se puede reducir la emitancia de entrada en el sincrotrón circular PS Booster (PSB) y permitir la inyección de múltiples paquetes. Tras el PSB se inyectan en el Proton Synchrotron (PS), en el Super Proton Synchrotron (SPS) y, finalmente, en el LHC.

La nueva noticia es “CERN celebrates completion of Linac 4, its brand new linear particle accelerator,” CERN News, 09 May 2017 [video]. Esta entrada trata de contestar una pregunta en Twitter de Rafael‏ @rafasith, que desde su oficina en el CERN, desde donde ve el edificio del Linac 4, contestó Hector García @CERNtripetas: “Hace que la producción de protones sea mayor, más eficiente y con menos pérdidas. Más partículas implica más colisiones en el LHC. Idealmente queremos que todas las partículas se generen con trayectorias paralelas y con la misma energía. En la práctica eso es imposible. Las trayectorias no son paralelas y la energía de cada partícula es ligeramente diferente. Eso define la emitancia del haz. Usar H te permite generar haces con una emitancia más baja. Eso se traduce en haces más compactos y más homogéneos. También se producen más protones, entonces aumenta el brillo del haz. Los detalles mejor en un vídeo o un post de Francis.”

Más información sobre la emitancia en el capítulo 9 del libro de Thomas P. Wangler, “RF Linear Accelerators,” 2nd ed., Wiley (2008). La respuesta a la pregunta de Rafael en M.A. Plum, “Beam Loss in Linacs,” CERN Yellow Report, doi: 10.5170/CERN-2016-002.39, arXiv:1608.02456 [physics.acc-ph]. Sobre la inyección de protones en el LHC recomiendo el blog de Xabier Cid Vidal y Ramon Cid Manzano, Acercándonos al LHC, y más en concreto las entradas “LHC en marcha” [enlace] y “LINAC4″ [enlace].

Dibujo20170510 vertical transverse phase spae 3 mev 12 mev hminus beam mompwi003 ipac2015

La calidad de un haz de partículas en un acelerador se mide mediante la llamada emitancia del haz. Hay varias definiciones de la emitancia según el tipo de acelerador, el tipo de haz y el método usado para medirla de forma experimental. Por ello explicaré en términos generales este concepto sin entrar en detalles específicos. El libro de Wangler dedica un capítulo entero a discutir estas definiciones.

Las partículas en el haz tienen una posición y una velocidad tridimensionales, luego se encuentran en un espacio de fases de seis dimensiones. Para simplificar supongamos la proyección del haz en un plano de fases, sea (x,px/m), donde x es la posición y px/m es la velocidad (cociente del momento lineal entre la masa) de las partículas. La emitancia del haz es el área del plano de fases (x,px/m) que ocupan todas las partículas en el haz; como hay muchas, esta área es una superficie más o menos continua. Para un haz ideal el área tiene forma de elipse, luego se suele normalizar la emitancia como ε = Area/π.

Un haz tiene mayor calidad cuando tiene una emitancia más pequeña. En la práctica, para haces relativistas, el área del haz tiene forma de elipse alargada rodeada de un halo de menor densidad. Por ello es difícil determinar los límites de dicha elipse y definir de forma unívoca su área. De ahí que haya varias definiciones diferentes para este concepto según como se impongan estos límites. El halo es la fuente principal de pérdida de partículas durante la aceleración y se diseña el acelerador para minimizar su efecto todo lo posible. Otra fuente de pérdidas son los efectos no lineales debidos a los campos electromagnéticos que generan las propias partículas que deforman el área del espacio de fases.

Dibujo20170510 beam loss mechanisms for hminus and hplus beams arxiv 1608 02456

El parámetro más crítico que afecta a los haces de partículas acelerados son las pérdidas. La fuente principal es el incremento de la emitancia, cuya causa es múltiple. Esta tabla resume los mecanismos más importantes para haces de H y de H+; se observan más fuentes de pérdidas en el primer caso. Lo más complicado a la hora estudiar la emitancia son los efectos no lineales asociados a la interacción de las partículas cargadas en el haz debido a las fuerzas de Coulomb y a las fuerzas magnéticas que estas mismas partículas producen. Las primeras producen un campo eléctrico efectivo (space-charge field) que desenfoca el haz (incrementa la emitancia) y las segundas un campo magnético efectivo (self-magnetic field) que autoenfoca el haz (decrementa la emitancia). La interacción entre estos campos es complicada, dominando a baja energía el efecto carga-espacio.

Como muestra la tabla el uso de H da lugar a causas de pérdidas que son despreciables en el caso H+, como las pérdidas IBSt (Intra-Beam Stripping). Por ello, el control de los haces de H es mucho más delicado y mucho más difícil que en el caso H+. Por tanto, la pregunta de Rafael adquiere todo su sentido: ¿Por qué acelerar haces de H en Linac 4 en lugar de haces de H+ como en Linac 2 si es más complicado? Como ya he dicho más arriba, la respuesta está en el para qué (queremos los haces ya acelerados).

Los haces de iones de H acelerados en Linac 4 se hacen colisionar con un blanco de carbono para eliminar los electrones y producir los protones que se inyectarán en el acelerador circular de tipo sincrotrón PSB. Allí se inyectan múltiples paquetes (o pulsos) de protones, un proceso llamado inyección múltiple. Para facilitar este proceso es necesario que la emitancia de entrada de los protones en PSB sea lo más pequeña posible y así lograr introducir el mayor número de paquetes. El método más eficiente para reducir la emitancia en la inyección de múltiples haces es usar un mecanismo de pérdida de energía, como la inyección con intercambio de carga (charge exchange injection). El proceso requiere que los electrones sean retirados de las iones H antes de que se unan a los protones (H+) que ya se están en PSB. Así se logra una inyección óptima de muchos protones (haces con gran intensidad) que será clave para el HL-LHC, el futuro LHC de alta luminosidad; esta ventaja es suficiente para que merezca la pena complicar el diseño de Linac 4 acelerando iones H en lugar de H+ como en Linac 2.

Dibujo20170510 cern acceleerator cmplex cern orgPara los despistados (si alguno llega hasta aquí), les recuerdo el proceso actual de inyección de protones en el LHC. La fuente de protones es una pequeña bombona de hidrógeno gaseoso (llamada Duoplasmatron); un campo eléctrico disocia los átomos en protones y electrones que son dirigidos al acelerador lineal (Linac 2), un acelerador lineal que acelera los protones hasta una energía de 50 MeV. Luego se inyectan en PSB (Proton Synchrotron Booster), un anillo de 157 metros de longitud, que los acelera hasta 1.4 GeV. De ahí pasan al PS (Proton Synchrotron), un anillo de 628 metros de longitud, que los acelera hasta los 25 GeV. Todas estas instalaciones están a ras de superficie, en un edificio en el CERN.

El siguiente paso es inyectar los protones desde PS hasta SPS (Super Proton Synchrotron), un sincrotrón de 7 km de circunferencia que se encuentra a unos 25 metros de profundidad bajo tierra, que acelera los protones hasta 450 GeV. De ahí se dirigen hasta el LHC (Large Hadron Collider), que con sus 27 km de circunferencia se encuentra a unos 100 metros bajo tierra y logra acelerar los protones hasta 7 TeV (ahora mismo en el LHC Run 2 se aceleran a 6.5 TeV).

Linac 4 será capaz de acelerar iones H hasta energías de 50 MeV (que permitirá que sustituya a Linac 2 a partir del año 2022), hasta 102 MeV y hasta 160 MeV (el objetivo de diseño para alimentar el futuro HL-LHC a partir de 2025). Se ha dado por finalizado Linac 4, pero las pruebas de su funcionamiento serán llevadas a cabo durante la parada larga LS2 del LHC entre 2018 y 2019.

En resumen, espero haber satisfecho la curiosidad de Rafael y con ella la de otros lectores. Me gustaría destacar que el padre de la idea de acelerar iones de hidrógeno negativos para inyectar protones en sincrotrones es Luis W. Álvarez, Premio Nobel de Física 1968, quien la publicó en 1951. Desde entonces las técnicas de generación de estos iones y de su aceleración posterior han dado pasos de gigante.


16 Comentarios

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Antonio GarcíaAntonio García

estA Área
esta águila
esta agua
Femenino siempre. No nos dejemos invadir por la incultura televisiva.
Puedes confirma que área es femenino siempre, en el drae.

walkurtwalkurt

El mismo Antonio que siempre anda en cualquier post de naukas dando la lata con el gramarnazismo y que nunca comenta on topic?? el taliban del punto como separador de miles (?) que denso…

On topic: Excelente entrada, aunque muy dificil para mis basicos conocimientos de fisica, tuve que releer varias veces e ir a wikipedia para poder interiorizarme, pero es una critica a mi bajo nivel, no a la entrada.
Muchas gracias!

Francisco R. Villatoro

He de confesar que muchas entradas las escribo a la bulla y corriendo, si no, no las escribiría, no tengo tiempo para todo; por ello cometo faltas ortográficas (espero que pocas, pero son inevitables cuando no puedo releer y releer lo que escribo). Así que agradezco a los “talibanes” de la ortografía su labor (me ahorran relecturas).

RafaelRafael

Francis.
Muchas gracias por la explicación.
Cuando vi la noticia de la inauguración me sorprendí del cambio de estrategia de pasar de iones + a –
Sabia para qué era ese cambio pero desconocía el proceso físico en el que se basaba. No conocia el teorema de Liouville.
Intentare profundizar en algunas de las referencias que aportas.
La verdad es que es un placer seguirte tanto en Tw cómo aquí en el blog.
Y ahora también en el podcast de CofeeBreak.
Como te comenté en TW: No sé cómo haces para que te cunda tanto el tiempo…

Francisco R. Villatoro

Julio, así es, pueden crear materia extraña, formada por qarks extraños de valencia (de hecho los protones de los núcleos de los átomos de tu cuerpo contienen quarks extraños virtuales). ¿Han terminado tus núcleos atómicos con el mundo? No. Por tanto, los de LHC y RHIC tampoco. La materia extraña se supone que es muy estable, por tal es incapaz de “detruir el mundo”.

Julio A.Julio A.

Déjeme ver si entendí ¿La materia creada por partículas conocidas como “strangelet” pueden ser producidas por el LHC y el RHIC? Según lo que se, el simple hecho de que se cree una partículas de esta he interactúe con otra podría desencadenar un efecto en cadena ¿No?

Francisco R. Villatoro

No, Julio, el estado de la materia llamada “strangelet” no se puede producir en LHC y RHIC (al menos que sepamos); se pueden producir partículas (bariones y mesones) con quarks extraños, pero el “strangelet” no describe estas partículas, describe un estado similar al plasma de quarks y gluones, pero en el que el número de quarks u, d y s de valencia es similar entre sí; dicho estado se cree que existe y es estable gracias a teorías efectivas muy simplificadas, pero no ha sido recreado en ningún experimento. Se ha buscado y no se ha encontrado. Nadie sabe el porqué. O bien no existe (y las teorías efectivas que lo predicen son inadecuadas), o bien hay que diseñar un experimento específico para recrearlo.

Julio A.Julio A.

¿Esto quiere decir que corre la probabilidad de que el LHC y RHIC puedan crear “strangelets”? Y si es asi ¿Esto si podría causar el fin de la Tierra como tal? Digo yo ¿Esto no seria algo demasiado riesgoso?

Me causan muchas dudas lo que me dices, en especial el riesgo que conlleva el saber que por tal tipo de maquinas podríamos llegar a crear una de estas partículas capases de hacer un daño sin reversa a el mundo entero, otras preguntas ¿Cual seria la probabilidad de que este tipo de materia (strangelet) pudiese ser creado en el LHC? ¿Deberíamos de preocuparnos?

Como bien se podrá dar cuenta, soy una persona no físico y nada relacionada en el ámbito.

Francisco R. Villatoro

Todo depende de a qué llames “potente”. La densidad de energía de colisiones por unidad de longitud de este acelerador compacto es de 0,0045 TeV en 9 cm, mientras que LHC alcanza 13 TeV en 27 km; ahí está su récord. Pero lo normal es llamar “potencia” a la luminosidad, colisiones por segundo; ese acelerador compacto tiene una luminosidad ridícula comparada con el LHC, sobre todo porque es un prototipo tecnológico y no está diseñado para ser útil para nada, luego su luminosidad no es un factor de diseño.

JoseJose

Hola Francisco,
Te sigo pero nunca comento.
Como LINAC4 me queda muy cerca algunas precisiones/correcciones. LINAC4 es fundamental para HL-LHC (High Luminosity LHC), pero no es parte de ese proyecto. Es parte de LIU (LHC Injectors Upgrade) que se implementa en el próximo LS2 (Long Shutdown 2) entre 2019 y 2020. HL-LHC se implementará durante LS3 (entre 2024 y 2026) y LIU es necesario para HL-LHC.
LINAC4 comenzará a injectar haz en PSB después del LS2 (después de 2020 y no 2022). En LS2 tenemos que desconectar LINAC2, rehacer la línea de inyección a PSB (de 50 a 160MeV), rehacer el periodo 1 de PSB para añadir el sistema de stripping de iones negativos y modificar la línea de inyección de PSB a PS (de 1.4 a 2 GeV).
Ahora mismo LINAC4 se ha inaugurado porque entra en “reliability run” para probar que es capaz de tener la misma disponibilidad que LINAC2. Para ello se va a tener a la máquina funcionando 24h de la misma forma que las demás (con servicios de retén en caso de fallos, etc.) Eso también servirá para ganar experiencia operacional y corregir posibles problemas que limiten la disponibilidad de la máquina.
Puedes encontrar más información aquí: http://ls1ls2.web.cern.ch/ Creo que es accesible desde fuera del CERN.

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