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Acelerador de partículas

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Un protón y un antiprotón que chocan en un acelerador de alta energía. Su energía de masa y energía cinética se han transformado en una lluvia de todo tipo de partículas.

El principio básico detrás del acelerador de partículas es simple: colisionar cosas a alta energía y detectar lo que sale.

En 1909, Ernest Rutherford descubrió que el átomo consiste en un núcleo pequeño, masivo, cargado positivamente, rodeado por una nube ondulante de electrones de luz 10.000 veces más grande. Para comprender la estructura de este núcleo atómico, los científicos han desarrollado varias "sondas" en los años posteriores, siendo la más útil el neutrón eléctricamente neutro y una variedad de partículas cargadas eléctricamente. Como el neutrón no es repelido por la carga nuclear, los de baja velocidad funcionan bien como sondas (ver fisión nuclear). Sin embargo, las partículas cargadas penetran mejor cuando tienen mucha energía. Bombear la energía de tales sondas es el papel del acelerador de partículas.

Las primeras sondas de alta energía fueron proporcionadas por la naturaleza, en términos de los rayos alfa, beta y gamma de elementos radiactivos. De hecho, Rutherford utilizó los alfa de alta energía del radio como sonda para establecer su modelo del átomo. Aunque los rayos cósmicos se han usado (y todavía se usan) como sondas, el positrón se descubrió de esta manera, casi todos los avances en la física de partículas se han realizado utilizando aceleradores artificiales con una potencia cada vez mayor.

A medida que aumentaba el poder de las sondas, se descubrió una gran cantidad de partículas, que se convirtieron en lo que se llamó un "zoológico de partículas". Finalmente, todos se organizaron de acuerdo con un sistema llamado Modelo Estándar. En la bomba atómica, la materia se convierte en energía; En un acelerador de partículas de alta energía, la energía se convierte en materia.

Un acelerador de partículas utiliza campos eléctricos para impulsar partículas cargadas eléctricamente a altas velocidades y para contenerlas. Un televisor CRT ordinario es una forma simple de acelerador.

Hay dos tipos básicos de aceleradores: lineales y circulares. Ambos diseños tienen limitaciones. Cuanto más largo sea un acelerador lineal, mayor será la energía que se puede impartir, por lo que los límites están establecidos por la longitud práctica. En un diseño circular, la longitud no tiene límites. Los límites aquí surgen porque hacer que las cargas eléctricas entren en círculos hace que pierdan energía. A medida que se aceleran, se derrama más energía, hasta que eventualmente pierden energía tan rápido como se puede bombear.

Un acelerador lineal Van de Graaff de una etapa y 2 MeV de la década de 1960, abierto aquí para mantenimiento.

Aceleradores lineales

En un acelerador lineal (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un objetivo de interés en un extremo.

Líneas de luz que van desde el acelerador Van de Graaff a varios experimentos, en el sótano del campus de Jussieu en París.

Los aceleradores lineales de alta energía utilizan una matriz lineal de placas (o tubos de deriva) a los que se aplica un campo alterno de alta energía. A medida que las partículas se acercan a una placa, se aceleran hacia ella mediante una carga de polaridad opuesta aplicada a la placa. A medida que pasan a través de un agujero en la placa, se cambia la polaridad de modo que la placa ahora los repele y luego se aceleran hacia la siguiente placa. Normalmente se acelera una corriente de "racimos" de partículas, por lo que se aplica un voltaje de CA cuidadosamente controlado a cada placa para repetir esto continuamente para cada grupo.

En los primeros aceleradores de partículas, un multiplicador de voltaje Cockcroft-Walton era responsable de la multiplicación de voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó en el desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, actualmente reside en el Museo Nacional de Ciencias de Londres, Inglaterra.

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de conmutación de los campos eléctricos se vuelve tan alta que funcionan a frecuencias de microondas, por lo que los resonadores de cavidad de RF se utilizan en máquinas de mayor energía en lugar de placas simples.

Los tipos de aceleradores de CC capaces de acelerar partículas a velocidades suficientes para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton, o multiplicadores de voltaje, que convierten el CA en CC de alto voltaje, o los generadores Van de Graaff que usan electricidad estática transportada por correas.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes, como el RHIC, el LHC (programado para comenzar a funcionar en 2008) y el Tevatron, se utilizan para la física experimental de partículas.

Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de protones, que pueden producir isótopos de investigación o médicos "pesados ​​en protones", a diferencia de los "pesados ​​en neutrones" fabricados en reactores de fisión. Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE en Los Alamos.

Ejemplos

Los ejemplos cotidianos de aceleradores de partículas son los que se encuentran en televisores y generadores de rayos X. Los aceleradores de baja energía, como los tubos de rayos catódicos y los generadores de rayos X, usan un solo par de electrodos con un voltaje de CC de unos pocos miles de voltios entre ellos. En un generador de rayos X, el objetivo mismo es uno de los electrodos. Un acelerador de partículas de baja energía, llamado implantador de iones, se utiliza en la fabricación de circuitos integrados.

Los linacs son muy utilizados. También se utilizan para proporcionar una patada inicial de baja energía a las partículas antes de que se inyecten en aceleradores circulares. El linac más largo del mundo es el acelerador lineal Stanford, SLAC, que tiene 3 km (2 millas) de largo. SLAC es un colisionador de electrones positrones.

Los aceleradores lineales también se usan ampliamente en medicina, radioterapia y radiocirugía. Los Linacs de grado médico aceleran electrones usando un klystron y una compleja disposición de imanes de flexión, que produce un haz de energía de 6-30 millones de electrones-voltios (MeV). Los electrones pueden usarse directamente o pueden colisionar con un objetivo para producir un haz de rayos X. La fiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido ha suplantado en gran medida el uso anterior de la terapia con cobalto-60 como herramienta de tratamiento.

Aceleradores electrostáticos en tándem

En un acelerador en tándem, el ion cargado negativamente gana energía por atracción al muy alto voltaje positivo en el centro geométrico del recipiente a presión. Cuando llega a la región central conocida como terminal de alto voltaje, algunos electrones se eliminan del ion. El ion se vuelve positivo y se acelera por el alto voltaje positivo. Por lo tanto, este tipo de acelerador se denomina acelerador "en tándem". El acelerador tiene dos etapas de aceleración, primero tirando y luego empujando las partículas cargadas. Un ejemplo de un acelerador en tándem es ANTARES (Australian National Tandem Accelerator for Applied Research).

Aceleradores circulares

los acelerador de partículas en el Instituto de Ciencias Weizmann, Rehovot.Foto aérea de FermilabSegmento de un acelerador de partículas en DESY

En el acelerador circular, las partículas se mueven en círculo hasta que alcanzan suficiente energía. La pista de partículas se dobla típicamente en un círculo usando electroimanes. La ventaja de los aceleradores circulares sobre los aceleradores lineales es que la topología del anillo permite una aceleración continua, ya que la partícula puede transitar indefinidamente. Otra ventaja es que un acelerador circular es relativamente más pequeño que un acelerador lineal de potencia comparable (es decir, un linac tendría que ser extremadamente largo para tener la potencia equivalente de un acelerador circular).

Dependiendo de la energía y la partícula que se acelera, los aceleradores circulares sufren la desventaja de que las partículas emiten radiación sincrotrón. Cuando cualquier partícula cargada se acelera, emite radiación electromagnética y emisiones secundarias. Como una partícula que viaja en un círculo siempre acelera hacia el centro del círculo, irradia continuamente hacia la tangente del círculo. Esta radiación se llama luz sincrotrón y depende en gran medida de la masa de la partícula aceleradora. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son linacs.

Radiación sincrotrónica

El desprendimiento de energía por partículas eléctricas forzadas a curvarse se llama radiación sincrotrón. Cuanto más apretada sea la curva, mayor será el desprendimiento de energía, razón por la cual los aceleradores circulares son tan grandes como sea posible, minimizando la curvatura.

Se han construido algunos aceleradores circulares para generar deliberadamente radiación (llamada luz sincrotrón) como rayos X, por ejemplo, la Fuente de Luz Diamante que se está construyendo en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra o la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois. Los rayos X de alta energía son útiles para la espectroscopía de proteínas de rayos X o la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS).

La radiación sincrotrón es emitida más poderosamente por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones. La radiación sincrotrón permite una mejor imagen como se investigó y desarrolló en SPEAR de SLAC. En contraste, los físicos de partículas utilizan cada vez más partículas masivas, como protones (o núcleos), en sus aceleradores para llegar a energías más altas. Estas partículas son compuestos de quarks y gluones, lo que hace que el análisis de los resultados de sus interacciones sea mucho más complicado y también de gran interés científico.

Historia de los ciclotrones.

Los primeros aceleradores circulares fueron los ciclotrones, inventados en 1929 por Ernest O. Lawrence en la Universidad de California, Berkeley. Los ciclotrones tienen un solo par de placas huecas en forma de D para acelerar las partículas y un solo imán dipolo para curvar la trayectoria de las partículas. Las partículas se inyectan en el centro de la máquina circular y salen en espiral hacia la circunferencia. Otro tipo de acelerador circular, inventado en 1940 para acelerar electrones, es el Betatron.

Los ciclotrones alcanzan un límite de energía debido a los efectos relativistas a altas energías por los cuales las partículas se vuelven más difíciles de acelerar. Aunque la teoría especial de la relatividad impide que la materia viaje más rápido que la velocidad de la luz en el vacío, las partículas en un acelerador normalmente viajan muy cerca de la velocidad de la luz. En los aceleradores de alta energía, hay un rendimiento decreciente en la velocidad a medida que la partícula se acerca a la velocidad de la luz. Por lo tanto, los físicos de partículas generalmente no piensan en términos de velocidad, sino en términos de la energía de una partícula, generalmente medida en voltios de electrones (eV).

Los ciclotrones ya no pueden acelerar los protones cuando han alcanzado una energía de aproximadamente 10 millones de electronvoltios (10 MeV), porque los protones se desfasan con el campo eléctrico de conducción. Continúan en espiral hacia afuera a un radio mayor, pero, como se explicó anteriormente, ya no ganan suficiente velocidad para completar el círculo más grande tan rápido. Sin embargo, son útiles para aplicaciones de "menor energía". Hay formas de compensar esto hasta cierto punto: el sincrociclotrón y el ciclotrón isócrono.

Para aumentar aún más las energías, a miles de millones de electronvoltios (GeV), es necesario usar un sincrotrón. Este es un acelerador en el que las partículas están contenidas en un tubo con forma de rosquilla, llamado anillo de almacenamiento. El tubo tiene muchos imanes distribuidos a su alrededor para enfocar las partículas y curvar sus pistas alrededor del tubo, y cavidades de microondas distribuidas de manera similar para acelerarlas.

El tamaño del primer ciclotrón de Lawrence era de solo 4 pulgadas (100 mm) de diámetro. Fermilab tiene un anillo con una trayectoria del haz de 4 millas (6 km). El acelerador circular más grande jamás construido fue el sincrotrón LEP en el CERN, con una circunferencia de 26,6 kilómetros, que era un colisionador de electrones / positrones. Se ha desmantelado y el túnel subterráneo se está reutilizando para un colisionador de protones / protones llamado LHC. El abortado superconductor superconductor (SSC) en Texas habría tenido una circunferencia de 87 km. La construcción se inició pero posteriormente se abandonó mucho antes de su finalización. Los aceleradores circulares muy grandes se construyen invariablemente en túneles subterráneos de unos pocos metros de ancho para minimizar la interrupción y el costo de construir una estructura de este tipo en la superficie, y para proporcionar protección contra la intensa radiación sincrotrón.

Los aceleradores actuales, como la fuente de neutrones de espalación, incorporan criomódulos superconductores. El Relativistic Heavy Ion Collider, y el próximo Large Hadron Collider también hacen uso de imanes superconductores y resonadores de cavidad RF para acelerar las partículas.

Un imán en el sincrociclotrón en el centro de terapia de protones de Orsay

Blancos y detectores

La salida de un acelerador de partículas generalmente puede dirigirse hacia múltiples líneas de experimentos, una en un momento dado, por medio de un electroimán que se desvía. Esto hace posible operar múltiples experimentos sin necesidad de mover cosas o apagar todo el haz del acelerador. A excepción de las fuentes de radiación sincrotrónicas, el propósito de un acelerador es generar partículas de alta energía para la interacción con la materia.

Este suele ser un objetivo fijo, como el recubrimiento de fósforo en la parte posterior de la pantalla (en el caso de un tubo de televisión); un trozo de uranio en un acelerador diseñado como fuente de neutrones; o un objetivo de tungsteno para un generador de rayos X. En un linac, el objetivo simplemente se ajusta al final del acelerador. La pista de partículas en un ciclotrón es una espiral hacia afuera desde el centro de la máquina circular, por lo que las partículas aceleradas emergen de un punto fijo, al igual que en un acelerador lineal.

Para los sincrotrones, la situación es más compleja. Las partículas se aceleran a la energía deseada. Luego, se usa un imán dipolo de acción rápida para cambiar las partículas del tubo sincrotrón circular hacia el objetivo.

Una variación comúnmente utilizada para la investigación de la física de partículas es un colisionador, también llamado "colisionador de anillo de almacenamiento". Dos sincrotrones circulares se construyen en estrecha proximidad, generalmente uno encima del otro y usan los mismos imanes (que tienen un diseño más complicado para acomodar ambos tubos de haz). Los racimos de partículas viajan en direcciones opuestas alrededor de los dos aceleradores y chocan en las intersecciones entre ellos. Esto puede aumentar la energía enormemente; mientras que en un experimento de objetivo fijo la energía disponible para producir nuevas partículas es proporcional a la raíz cuadrada de la energía del haz, en un colisionador la energía disponible es lineal.

Energías superiores

En la actualidad, los aceleradores de mayor energía son todos colisionadores circulares, pero es probable que se hayan alcanzado los límites con respecto a la compensación de las pérdidas de radiación sincrotrón para los aceleradores de electrones, y la próxima generación probablemente serán aceleradores lineales 10 veces la longitud actual. Un ejemplo de este acelerador de electrones de próxima generación es el Colisionador lineal internacional de 40 km de largo, que se construirá entre 2015 y 2020.

A partir de 2005, se cree que la aceleración del campo de estela de plasma en forma de "postquemadores" de haz de electrones y pulsadores láser independientes proporcionará aumentos dramáticos en la eficiencia en dos o tres décadas. En los aceleradores de plasma wakefield, la cavidad del haz se llena con plasma (en lugar de vacío). Un pulso corto de electrones o luz láser constituye o sigue inmediatamente a las partículas que se aceleran. El pulso interrumpe el plasma, haciendo que las partículas cargadas en el plasma se integren y se muevan hacia la parte trasera del grupo de partículas que se están acelerando. Este proceso transfiere energía al grupo de partículas, acelerándolo aún más y continúa mientras el pulso sea coherente.1

Se han alcanzado gradientes de energía de hasta 200 GeV / m en distancias de milímetro utilizando pulsadores láser.2 y los gradientes que se aproximan a 1 GeV / m se están produciendo en la escala de varios centímetros con sistemas de haz de electrones, en contraste con un límite de aproximadamente 0.1 GeV / m solo para la aceleración de radiofrecuencia. Los aceleradores de electrones existentes, como SLAC, podrían usar postquemadores de haz de electrones para aumentar en gran medida la energía de sus haces de partículas, a costa de la intensidad del haz. Los sistemas de electrones en general pueden proporcionar haces confiables y fuertemente colimados; Los sistemas láser pueden ofrecer más potencia y compacidad. Por lo tanto, los aceleradores de plasma wakefield podrían usarse, si se pueden resolver problemas técnicos, tanto para aumentar la energía máxima de los aceleradores más grandes como para llevar altas energías a los laboratorios universitarios y centros médicos.

Producción de agujeros negros

En las próximas décadas, puede surgir la posibilidad de producción de agujeros negros en los aceleradores de energía más altos, si ciertas predicciones de la teoría de supercuerdas son precisas.3 Si se producen, se cree que los agujeros negros se evaporarían extremadamente rápido a través de la radiación de Hawking. Sin embargo, la existencia de la radiación de Hawking es controvertida.4 También se cree que una analogía entre colisionadores y rayos cósmicos demuestra la seguridad del colisionador. Si los colisionadores pueden producir agujeros negros, los rayos cósmicos (y particularmente los rayos cósmicos de energía ultraalta) deberían haberlos producido durante eones, y aún no han dañado la Tierra.

Notas

  1. ^ Matthew Wright y Early Wright, Montando la ola de plasma del futuro. Simetría: Dimensiones de la física de partículas (Fermilab / SLAC). Consultado el 9 de octubre de 2007.
  2. ↑ B.N. Briezman, et al, Controladores de haz de partículas autoenfocados para aceleradores de plasma Wakefield. Consultado el 9 de octubre de 2007.
  3. ^ Temas especiales de ESI, una entrevista con el Dr. Steve Giddings. Consultado el 9 de octubre de 2007.
  4. ^ Adam D. Helfer, ¿irradian agujeros negros? Rept. Prog. Phys. 66: 943. Consultado el 9 de octubre de 2007.

Referencias

  • Wiedemann, Helmut. 2007 Física del acelerador de partículas. Nueva York: Springer. ISBN 3540490434
  • Wille, Klaus y Jason McFall. 2001 La física de los aceleradores de partículas: una introducción. Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0198505493
  • Wilson, E.J.N. 2001 Una introducción a los aceleradores de partículas. Nueva York: Oxford University Press. ISBN 0198508298

Enlaces externos

Todos los enlaces recuperados el 16 de enero de 2019.

  • Investigación del acelerador de partículas
  • Aceleradores de partículas en todo el mundo.
  • Panofsky, Wolfgang K.H. 1997. La evolución de aceleradores y colisionadores de partículas. Stanford
  • Bryant, P.J. 1994. Breve historia y revisión de aceleradores. CERN
  • Kestenbaum, David. 2007. Acelerador masivo de partículas acelerando. NPR.
  • RTFTechnologies.org Acelerador de partículas electrostáticas.

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