Aceleradores lineales de hadrones del CERN

Los aceleradores lineales de hadrones del CERN son aceleradores lineales que aceleran haces de hadrones desde el reposo para que sean utilizados por los aceleradores circulares más grandes de la instalación.

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  El primer acelerador lineal del CERN, en funcionamiento desde 1958 hasta 1992.
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  El Linac 2, que estuvo en funcionamiento desde 1978 hasta 2018, se utilizó para acelerar protones.
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  Linac 3, actualmente (a partir de 2020) utilizado para acelerar iones
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  El Linac4, que reemplazó al Linac 2 en 2020, acelera los iones de hidrógeno negativos, a los que luego se les extraen sus electrones.

El Linac ^{[ 1 ]} , a veces denominado PS Linac ^{[ 2 ]} y mucho más tarde Linac 1 , ^{[ 3 ]} fue el primer acelerador lineal del CERN, construido para inyectar  protones de 50 MeV en el Sincrotrón de Protones (PS). Concebido a principios de la década de 1950, su diseño principal se basó en un acelerador similar en AERE en Inglaterra. ^{[ 4 ]} Los primeros haces se aceleraron en 1958, con corrientes de 5  mA y una duración de pulso de 20  μs, que fue el récord mundial en ese momento. ^{[ 4 ]} El acelerador estuvo completamente operativo en septiembre de 1959, cuando se alcanzó por primera vez la energía de diseño de 50  MeV. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

A partir de entonces, el Linac experimentó una fase de rápido desarrollo y mejora constante de sus parámetros de salida. Esto culminó en 1978, cuando se logró una corriente máxima de protones de 70  mA con pulsos de 100 μs de duración . ^{[ 4 ]} Desde 1972, el Linac dejó de suministrar los protones directamente al PS y los envió al Proton Synchrotron Booster (PSB). El PSB se construyó para permitir que los haces de protones alcanzaran energías más altas antes de entrar en el PS. 

Después de que el Linac 2 asumiera la tarea de acelerar protones en 1978, el Linac continuó utilizándose como un banco de pruebas fiable para nuevos desarrollos. Esto incluyó la prueba e implementación de un cuadrupolo de radiofrecuencia como acelerador inicial, que reemplazó al generador Cockcroft-Walton original en 1984. Además, se desarrollaron métodos para crear y acelerar deuterones, partículas α y átomos de H− ^. Estos últimos se utilizaron como haces de prueba para LEAR . ^{[ 4 ]} Desde finales de 1986, el Linac también se utilizó para acelerar iones de oxígeno y azufre . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

El Linac dejó de utilizarse en experimentos en el verano de 1992. ^{[ 8 ]} Posteriormente, fue desmantelado y retirado de su túnel para dejar espacio al Linac 3; cuya construcción comenzó en octubre de 1992, después de que el Linac fuera retirado del túnel. Partes del Linac se conservan como piezas de museo en la exposición Microcosmos . ^{[ 9 ]}

El Linac 2 , inicialmente conocido simplemente como el nuevo Linac ^{[ 10 ],} fue anunciado en 1973. ^{[ 11 ]} Se decidió construir un nuevo acelerador lineal, ya que el antiguo Linac no podía seguir el ritmo de los avances técnicos de las demás máquinas del complejo de aceleradores del CERN. El Linac 2 reemplazó al Linac como fuente principal de haces de protones del CERN en 1978. Mantuvo la misma energía del haz de 50  MeV, pero permitió haces más intensos con corrientes de hasta 150  mA y una duración de pulso más larga de 200  μs. ^{[ 12 ]}

Inicialmente, se había considerado la posibilidad de mejorar el primer acelerador lineal en lugar de construir uno completamente nuevo. Sin embargo, pronto se hizo evidente que el costo de dicha mejora sería casi tan elevado como el del nuevo acelerador. Otro factor a favor de esta nueva construcción era la posibilidad de garantizar una transición fluida entre ambos aceleradores sin interrupciones. Además, este enfoque de dos aceleradores lineales implicaba que el antiguo podría servir de respaldo para el nuevo durante los primeros años de funcionamiento.

La construcción del Linac 2 comenzó en diciembre de 1973, con un presupuesto estimado de 21,3 millones de francos suizos, y se completó en 1978. ^{[ 13 ]} El Linac 2 tenía 36 metros de longitud y estaba ubicado a nivel del suelo en el sitio principal del CERN. Estaba situado en un edificio paralelo al antiguo túnel del Linac. ^{[ 14 ]}

A lo largo de su vida útil, el Linac 2 experimentó varias actualizaciones para mantenerse al día con los avances del sistema de aceleradores del CERN. La mejora más importante fue la sustitución del antiguo generador Cockcroft-Walton  de 750 kV por un cuadrupolo de radiofrecuencia en 1993. Esto elevó la corriente de salida a 180 mA. ^{[ 15 ]} 

A finales de la década de 2000, se consideró la posibilidad de modernizar el Linac 2 o construir uno nuevo para inyectar partículas en el HL-LHC. Finalmente, se optó por construir un nuevo acelerador, el Linac 4, para reemplazar al Linac 2 en 2020. El Linac 2 fue apagado el 12 de noviembre de 2018 a las 15:00 por el Director de Aceleradores del CERN y, posteriormente, fue desmantelado como parte del proyecto de actualización del inyector del LHC. Durante el proceso de desmantelamiento, el Linac 2 fue desconectado de los demás aceleradores del CERN, por lo que ya no puede utilizarse para inyectar partículas en los aceleradores o experimentos del CERN. Sin embargo, gran parte del hardware del acelerador Linac 2 permanece en su lugar (a octubre de 2023) y puede visitarse mediante una visita guiada.

El Linac 3 , también conocido como Linac de Plomo ^{[ 16 ],} se construyó dentro del antiguo túnel del Linac 1 y se puso en marcha en el verano de 1994 (la construcción comenzó en octubre de 1992). Se construyó especialmente para acelerar iones pesados, después de que las pruebas realizadas con el Linac 1 y la creciente demanda de la comunidad científica sugirieran la construcción de un nuevo Linac dedicado específicamente a esta tarea. ^{[ 6 ]} Las partículas aceleradas son principalmente iones de plomo , que se suministran al LHC y a los experimentos de blanco fijo del SPS y LEIR . Para la puesta en marcha de LEIR, también se aceleraron iones de oxígeno. ^{[ 17 ]}

Tras los preparativos iniciados en 2013, el Linac 3 se adaptó para acelerar iones de argón en 2015. Estos fueron utilizados por el experimento NA61/SHINE . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

De manera similar, el Linac 3 aceleró iones de xenón en 2017 para el programa de física de blanco fijo de NA61. El 12 de octubre de 2017, estos iones fueron enviados al Gran Colisionador de Hadrones (LHC) para una sesión única de toma de datos: por primera vez, se aceleraron iones de xenón y colisionaron en el LHC. Durante seis horas, los cuatro experimentos del LHC pudieron tomar datos de los iones de xenón en colisión. ^{[ 20 ]}

Se espera que Linac 3 siga en uso al menos hasta 2022. ^{[ 21 ]}

Linac 4 es un acelerador lineal actual de 86 metros de longitud que reemplazó al Linac 2, ya retirado. A diferencia de sus predecesores, Linac 4 acelera iones de hidrógeno negativos , no protones, y tiene una energía de aceleración de 160 MeV. ^{[ 22 ]} Los iones se inyectan luego en el Proton Synchrotron Booster (PSB), donde se extraen ambos electrones de cada ion de hidrógeno, quedando así solo el núcleo que contiene un protón. Al usar iones de hidrógeno en lugar de protones, se reduce y simplifica la pérdida del haz durante la inyección, lo que también permite que se acumulen más partículas en el sincrotrón. ^{[ 23 ] [ 24 ]} 

El CERN aprobó la construcción del Linac 4 en junio de 2007. El proyecto comenzó en 2008. ^{[ 9 ]}

El Linac 4 se construyó en su propio túnel, paralelo al Linac 2, en el sitio principal del CERN. La razón para construir el acelerador en su nuevo túnel es que su construcción podría realizarse simultáneamente con el funcionamiento del Linac 2. ^{[ 14 ]}

El Linac 4 ha triplicado la energía de su predecesor, el Linac 2, alcanzando una energía de 160  MeV. Este aumento de energía, junto con la mayor acumulación de partículas, ha permitido que la intensidad de los haces del LHC casi se duplique. ^{[ 25 ]} Esto forma parte del plan para el futuro aumento de luminosidad del LHC. ^{[ 26 ]}

La primera inyección de un haz de partículas desde Linac 4 en el PSB ocurrió en diciembre de 2020. ^{[ 27 ]}

• Vídeo del CERN: Conozca el Linac4
• Vídeo del CERN: Visita virtual al Linac4 en 3D