Complexo de Acelera¸c˜ao

A escala de energia obtida nas colis˜oes do LHC ´e consequˆencia de uma cadeia de acelera¸c˜ao (Figura 2.1) incluindo parte dos aceleradores anteriores do CERN. No caso dos feixes contendo pr´otons, inicia-se a extra¸c˜ao de pr´otons de ´atomos de hidrogˆenio que s˜ao acelerados pelo LINAC 2 (50 MeV) — um acelerador linear — que inicia sequˆencia. Realiza-se a continua¸c˜ao da acelera¸c˜ao2 _{por via desta sequˆencia de}

s´ıncrotrons (aceleradores circulares que orientam as part´ıculas atrav´es de magnetos): Proton Synchroton Booster (BOOSTER) (1,4 GeV); Proton Synchroton (PSync) (25 GeV); Super Proton Synchroton (SPS) (450 GeV); at´e finalmente alimentar o LHC (13 TeV). O LHC ´e, igualmente, um s´ıncrotron, assim como grande parte dos aceleradores de altas energias anteriormente constru´ıdos [19, 23].

O LHC n˜ao ´e uma circunferˆencia. Sua topologia (Figura 2.2) ´e, na realidade, composta por octantes possuindo dois arcos (_{≈ 2, 45 km) e um trecho retil´ıneo} (_{≈ 528 m), que se iniciam e terminam no ponto de encontro intermedi´ario dos} sucessivos arcos. Os arcos cont´em 23 arranjos de uma mesma estrutura com mag- netos respons´aveis pela manuten¸c˜ao dos feixes na trajet´oria nominal3_{. Os trechos}

retil´ıneos do t´unel do LHC s˜ao utilizados como Regi˜oes de Inser¸c˜ao (IR), contendo experimento(s) ou um determinado servi¸co. A parte compreendida entre dois IR ´e chamada de setor.

As colis˜oes ocorrem especificamente nos Pontos de Inser¸c˜ao (IP) em quatro dessas regi˜oes, nas quais est˜ao os experimentos dedicados ao estudo da F´ısica de Part´ıculas. Os dois IP para os experimentos de alta luminosidade est˜ao localizadas em se¸c˜oes diametrais opostas, onde est˜ao os experimentos ATLAS — IP1, referido simples- mente por Ponto 1 de Inser¸c˜ao (P1) pelo ATLAS — e CMS (IP5). Nas demais duas regi˜oes encontram-se os detectores ALICE (IP2) e LHCb (IP8), onde tamb´em est˜ao a inje¸c˜ao de feixes no LHC. A inje¸c˜ao ocorre pelo plano vertical, incidindo

2_{Comum para pr´otons e ´ıons de chumbo.}

3_{Existem dois magnetos principais: os dipolos, respons´aveis por gerar a for¸ca centr´ıpeta; e os}

quadripolos, produzindo o campo magn´etico que mant´em as part´ıculas do feixe concentradas em

torno da trajet´oria nominal. Uma vez que a capacidade dos dipolos determina a energia m´axima

dos feixes, sua tecnologia est´a no limiar da ciˆencia atual. Empregam-se supercondutores resfriados

a 1,9 K por 120 t de h´elio, de forma a criar um campo magn´etico de at´e 8,3 T por via de uma

corrente de 11,7 kA. J´a os quadripolos tˆem a propriedade de focar as part´ıculas em um plano,

e desfocar no plano perpendicular, o que causa oscila¸c˜ao (betatron) das part´ıculas em torno da

Figura 2.1: A cadeia de acelera¸c˜ao do LHC e seus maiores experimentos. A seta cinza claro corresponde ao sentido do deslocamento de pr´otons nos aceleradores. Est˜ao dispon´ıveis tamb´em uma foto de um exemplar da garrafa de hidrogˆenio (esquerda) de onde s˜ao retirados os pr´otons e do LINAC 2 (direita). O esquema do complexo de acelera¸c˜ao foi extra´ıdo de [24].

por baixo do plano de LHC. Quanto aos experimentos, este trabalho est´a envol- vido com o ATLAS e o Cap´ıtulo 4 dedica-se `a descri¸c˜ao desse experimento. Outros grandes experimentos do LHC s˜ao: Compact Muon Sollenoid (CMS) [25], Large Hadron Collider beauty experiment (LHCb) [26], A Large Ion Collider Experiment (ALICE) [27].

O acelerador possui uma s´erie de servi¸cos essenciais para opera¸c˜ao instalados nos demais pontos:

• IR4 – cont´em sistemas independentes de Radio Frequency (RF), respons´aveis pela acelera¸c˜ao dos feixes. Existem 8 c´elulas proporcionando tens˜ao alternada com frequˆencia do sistema RF (fRF), que deve ser um m´ultiplo da frequˆencia

de revolu¸c˜ao (frev)4. A fRF ´e de 400 MHz no eixo de propaga¸c˜ao do feixe, e

o seu potencial de acelera¸c˜ao ´e de 5 MV/m. O espa¸camento dos feixes ´e de- terminado pelo acelerador PSync, que concentra as part´ıculas em harmˆonicos

4_{A f}

Figura 2.2: Esbo¸co esquem´atico do LHC. Os octantes do LHC com suas respecti- vas Regi˜oes de Inser¸c˜ao (IR), onde est´a discriminada as respectivas funcionalidades ou experimentos discriminados. O anel 1 (vermelho) percorre no sentido hor´ario, enquanto o anel 2 (azul) no sentido anti-hor´ario [23].

a cada 25 ns. Esses valores criam um total de 3.564 harmˆonicos, poss´ıveis de estabilidade para que uma part´ıcula sempre encontre uma tens˜ao acelerante. Por outro lado, nem todos os harmˆonicos s˜ao preenchidos, o que possibilita a remo¸c˜ao parcial dos feixes. Em opera¸c˜ao nominal o LHC preenche 2.808 harmˆonicos em cada feixe, o que gera uma taxa m´edia de colis˜ao de 31,6 MHz; • IR3 e IR7 – est˜ao localizados dois sistemas de colima¸c˜ao, respons´aveis pela prote¸c˜ao do acelerador contra as perdas inevit´aveis e limpeza de irregularidades do feixes. Existe uma corre¸c˜ao exclusiva em cada ponto: havendo sistema para a limpeza de oscila¸c˜oes de momento geradas pelo sistema RF (IR3); e atenua¸c˜ao das oscila¸c˜oes (betatron) em consequˆencia da estrat´egia adotada para manter as part´ıculas concentradas na trajet´oria (IR7). Essas s˜ao as ´areas mais radioativas do LHC;

• IR6 – Sistema de Remo¸c˜ao independente para cada feixe. A sua fun¸c˜ao ´e extrair rapidamente os pacotes de cada um dos an´eis do LHC e transport´a- los at´e um material absorvedor. Em determinados casos, deseja-se apenas a remo¸c˜ao parcial do feixe, o que demanda alta velocidade de opera¸c˜ao para evitar eventual elimina¸c˜ao de fra¸c˜ao do feixe em bom estado. O Sistema de Remo¸c˜ao tem grande confiabilidade devido ao poder destrutivo dos feixes, o

que condicionou sua concep¸c˜ao.