Acelerador de partícules

Un acelerador de partícules ye un dispositivu qu'utiliza campos electromagnéticos p'acelerar partícules cargaes a altes velocidaes, y asina, faeles topetar con otres partícules. D'esta manera, xenérense ensame de nueves partícules que -xeneralmente- son bien inestables y duren menos d'un segundu, esto dexa estudiar más a xeitu les partícules que fueron desintegraes per mediu de les que fueron xeneraes. Hai dos tipos básicos d'aceleradores de partícules: los lliniales y los circulares. El tubu de rayos catódicos d'un televisión ye una forma simple d'acelerador de partícules.

Acelerador llinial de Xenerador de Gutenberg d'una sola etapa de 2 MeV.

Los aceleradores de partícules asonsañen, en cierta forma, l'aición de los rayos cósmicos sobre l'atmósfera terrestre, lo cual produz al azar una agua de partícules exótiques ya inestables. Sicasí, los aceleradores empresten una redolada muncho más controlada pa estudiar estes partícules xeneraes, y el so procesu de desintegración.

Esi estudiu de partícules, tanto inestables como estables, pue ser nun futuru útil pal desarrollu de la medicina, la esploración espacial, teunoloxía electrónica, etcétera.

Ver tamién: Llista d'aceleradores en física de partícules

Aceleradores d'altes enerxíes

Aceleradores lliniales

Artículu principal: Acelerador llinial

Llinies del fexe de partícules que lleven dende l'acelerador de Van de Graaf a dellos esperimentos, na base del Campus Jussieu de París.

Los aceleradores lliniales (munches vegaes usa'l acrónimu n'inglés linac) d'altes enerxíes utilicen un conxuntu de plaques o tubos asitiaos en llinia a los que se-yos aplica un campu llétrico alternu. Cuando les partícules averar a una placa, acelerar escontra ella al aplicar una polaridá opuesta a la suya. Xusto cuando la trespasen, al traviés d'un furacu practicáu na placa, la polaridá inviértese, de forma que nesi momentu la placa repele la partícula, acelerándola por tanto escontra la siguiente placa. Xeneralmente nun s'acelera una sola partícula, sinón un continuu de fexes de partícules, de forma que s'aplica a cada placa un potencial alternu curioso controláu de forma que se repita de forma continua'l procesu pa cada fexe.

Nos aceleradores de partícules más antiguos usábase un Xenerador de Cockcroft-Walton pa la multiplicación del voltaxe. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollu de la bomba atómica. Construyíu en 1937 por Philips d'Eindhoven, atópase anguaño nel muséu de ciencies naturales de Londres (Inglaterra).

A midida que les partícules averar a la velocidá de la lluz, la velocidá d'inversión de los campos llétricos faise tan alta que tienen d'operar a frecuencies de microondes, y por eso, en bien altes enerxíes, utilícense cuévanos resonantes de frecuencies de radiu en llugar de plaques.

Los tipos d'aceleradores de corriente continua capaces d'acelerar a les partícules hasta velocidaes abondo altes como pa causar reaiciones nucleares son los xeneradores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que converten una corriente alterna a continua d'altu voltaxe, o bien xeneradores Van de Graaf qu'utilicen lletricidá estática tresportada por aciu cintes.

Esti aceleradores usar en munches ocasiones como primer etapa antes d'introducir les partícules nos aceleradores circulares. L'acelerador llinial más llargu del mundu ye'l colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de llargor.

Esti aceleradores son los que s'usen en radioterapia y radiocirugía. Utilicen válvules klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo fexes d'electrones d'una enerxía de 6 a 30 millones d'electronvoltios (MeV). En ciertes téuniques utilícense direutamente esos electrones, ente que n'otres faíse-yos topetar contra un blancu de númberu atómicu alto pa producir fexes de rayos X. La seguridá y fiabilidá d'estos aparatos ta faciendo recular a les antigües unidaes de cobaltoterapia.

Dos aplicaciones teunolóxiques d'importancia nes que s'usen esti tipu d'aceleradores son la Espalación pa la xeneración de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia pa la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos xeneraos na fisión.

Ver tamién: Abandonu de la enerxía nuclear

Aceleradores circulares

Artículu principal: Acelerador de partícules circular

Estos tipos d'aceleradores tienen una ventaya añadida a los aceleradores lliniales al usar campos magnéticos en combinación colos llétricos, pudiendo consiguir aceleraciones mayores n'espacios más amenorgaos. Amás les partícules pueden permanecer confinaes en determinaes configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sicasí tienen una llende a la enerxía que puede algamar por cuenta de la radiación sincrotrón qu'emiten les partícules cargaes al ser aceleraes. La emisión d'esta radiación supón una perda d'enerxía, que ye mayor cuanto más grande ye l'aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayeutoria circular realmente lo que se fai ye acelerar la partícula, una y bones la velocidá camuda'l so sentíu, y d'esta miente ye inevitable que pierda enerxía hasta igualar la que se-y suministra, algamando una velocidá máxima.

Dellos aceleradores tienen instalaciones especiales qu'aprovechen esa radiación, dacuando llamada lluz sincrotrón. Esta radiación utilízase como fontes de Rayos X d'alta enerxía, principalmente n'estudios de materiales o de proteínes por espectroscopia de rayos X o por absorción de rayos X pola estructura fina (o espectrometría XAS).

Esta radiación ye mayor cuando les partícules son más llixeres, polo que s'utilicen partícules bien llixeres (principalmente electrones) cuando pretenden xenerase grandes cantidaes d'esta radiación, pero xeneralmente acelérense partícules pesaes, protones o nucleos ionizados más pesaos, que faen qu'esti aceleradores puedan algamar mayores enerxíes. Este ye'l casu del gran acelerador circular del CERN onde'l LEP, colisionador d'electrones y positrones, sustituyóse pol LHC, colisionador d'hadrones.

Los aceleradores de partícules más grandes y potentes, como'l RHIC, el LHC o'l Tevatrón utilizar n'esperimentos de física de partícules.

Ciclotrón

Imaxe de la patente de 1934 del ciclotrón, por Ernest Orlando Lawrence. "Métodu y aparatu pa l'aceleración d'iones".

El primer ciclotrón foi desenvueltu por Ernest Orlando Lawrence en 1929 na Universidá de California. Nellos les partícules inyectar nel centru de dos pares d'imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnéticu y amás cárgase-yos de forma qu'esista una diferencia de potencial alterna ente cada par d'imanes. Esta combinación provoca l'aceleración.

Esti aceleradores tienen una llende de velocidá baxu en comparanza colos sincrotrones por cuenta de los efeutos. Aun así les velocidaes que s'algamar son bastante altes, llamaes relativistes por ser cercanes a la velocidá de la lluz. Por esti motivu suélense utilizar unidaes d'enerxía (electronvoltios y los sos submúltiplos davezu) en llugar d'unidaes de velocidá. Por casu, pa protones, la llende atopar nunos 10 MeV. Por esti motivu los ciclotrones solo pueden usase n'aplicaciones de baxes enerxíes. Esisten delles meyores téuniques como'l sincrociclotrón o'l ciclotrón síncrono, pero'l problema nun sume. Delles máquines utilicen delles fases acoplaes pa utilizar mayores frecuencies (por casu el rodotrón).

Esti aceleradores utilícense por casu pa la producción de radioisótopos d'usu médicu (como por casu la producción de ¹⁸F pal so usu nos PET), pa la esterilización de presea médica o de dellos alimentos, pa dellos tratamientos oncolóxicos y na investigación. Tamién s'usen p'analises químicos, formando parte de los llamaos espectrómetro de mases.

P'algamar enerxíes cimeres, del orde de los GeV y superiores, ye necesariu utilizar sincrotrones.

Imaxe aérea del Fermilab (Chicago), unu de los aceleradores más grandes del mundu.

Sincrotrón

Artículu principal: Sincrotrón

Túnel del antiguu LEP del CERN onde s'atopa nesti momentu'l LHC, el mayor colisionador d'hadrones del mundu.

Unu de los primeros sincrotrones, qu'aceleraba protones, foi'l Bevatron construyíu nel Llaboratoriu nacional Brookhaven (Nueva York), qu'empezó a operar en 1952, algamando una enerxía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta delles ventayes con al respective de los aceleradores lliniales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de consiguir mayores enerxíes nes partícules aceleraes. Sicasí precisen configuraciones de campos electromagnéticos muncho más complexos, pasando de los simples dipolos llétricos y magnéticos qu'usen el restu d'aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

Esti aceleradores lleven acomuñáu l'usu de mayores capacidaes teunolóxiques ya industriales, tales como y ente otres munches:

• el desarrollu de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesarios, ensin la necesidá d'alzar el consumu llétricu hasta cotes impensables,
• sistemes de vacíu, que dexen caltener les partícules nel conductu onde se caltienen les partícules, ensin perdes del fexe inadmitibles,
• superordenadores, capaces de calcular les trayectories de les partícules nes distintes configuraciones simulaes y, darréu, asimilar les enormes cantidaes de datos xeneraes nos analises científicos de los grandes aceleradores como'l LHC.

Al igual que n'otres árees de la teunoloxía de punta, esisten múltiples desarrollos que se realizaron pa la so aplicación n'esti aceleradores que formen parte de la vida cotidiana de les persones. Quiciabes el más conocíu foi'l desarrollu de la World Wide Web (comúnmente llamada web), desenvueltu pa la so aplicación nel LEP.

La única forma d'alzar la enerxía de les partícules con esti aceleradores ye amontar el so tamañu. Xeneralmente tómase como referencia'l llargor del perímetru de la circunferencia (realmente nun formen una circunferencia perfeuta, sinón un polígonu lo más averao posible a esta). Por casu tendríamos el LEP con 26,6 km, capaz d'algamar los 45 GeV (91 GeV pa un choque de dos faes en sentíos opuestos), anguaño reconvertíu nel LHC del que se preven enerxíes cimeres a los 7 TeV.

Aceleradores de mayores enerxíes

Esisten dellos proyeutos pa superar les enerxíes qu'algamen los nuevos aceleradores. Esti aceleradores espérase que sirvan pa confirmar teoríes como la Teoría de la gran unificación ya inclusive pa la creación de furacos negros que confirmaríen la teoría de supercuerdas.

Para 2015-2020 espérase que se construya'l Colisionador llinial internacional, un enorme linac de 31 km de llargor, primeramente de 500 GeV que s'ampliaríen hasta 1 TeV. Esti acelerador va utilizar un láser enfocáu nun fotocátodu pa la xeneración d'electrones. En 2007 nun se decidiera entá qué nación lo allugaría.

El Supercolisionador superconductor (SSC nel so acrónimu inglés) foi un proyeutu pa la construcción d'un sincrotrón de 87 km de llargor en Texas qu'algamaría los 20 TeV. En 1993 el proyeutu atayóse dempués d'haber construyíu 23,5 km del túnel por cuenta del so peraltu costu motiváu pola gran esviación sobre'l presupuestu previstu. En 2006 les propiedaes ya instalaciones fueron vendíes a un grupu d'inversión, tando'l sitiu anguaño n'estáu d'abandonu.

Créese que l'aceleración de plasmes por aciu láseres van consiguir una medría espectacular nes eficiencies que s'algamar. Estes téuniques algamaron yá aceleraciones de 200 GeV por metro, magar en distancies de dellos centímetros, en comparanza colos 0,1 GeV por metro que se consiguen coles radiofrecuencies.

Fundamentos físicos

Xeneración de partícules

Les partícules cargaes (les úniques que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes nos aceleradores) xenerar de diverses formes. La forma más senciella ye utilizar el mesmu movimientu que se xenera al calecer un material. Esto fai davezu caleciendo un filamentu hasta'l so incandescencia faciendo pasar por él una corriente llétrica, anque tamién puede faese enfocando un láser nél. Al aumentar la temperatura tamién aumenta la probabilidá de qu'un electrón de la corteza atómica abandonar momentáneamente. Si nun esiste un campu electromagnético cerca que lo acelere en direición contraria esti electrón (cargáu negativamente) tornaría al poco tiempu al átomu ionizado (positivamente) al atraese les cargues opuestes. Sicasí, si asitiamos cerca del filamentu una segunda placa, creando una diferencia de potencial ente'l filamentu y ella, vamos consiguir acelerar l'electrón.

Si nesa placa efeutuamos un pequeñu furacu, y tres él un conductu al que se-y estrayxera l'aire, vamos consiguir estrayer electrones. Sicasí, si nun esiste esi furacu l'electrón va impautar contra la placa xenerando rayos X.

Cuando pretenden xenerase protones, sicasí, ye necesariu ionizar átomos d'hidróxenu (compuestos namái por 1 protón y 1 electrón). Pa ello puede utilizase como primer fase'l senciellu acelerador d'electrones descritu faciendo incidir el fexe d'electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidróxenu. Si nesa válvula asitiamos de nuevu un par de plaques sobre les qu'aplicamos un potencial van llograse per un sitiu electrones aceleraos y pol opuestu, protones aceleraos. Un exemplu d'esti tipu d'aceleradores ye'l LANSCE o si nel Llaboratoriu Nacional Los Álamos (Estaos Xuníos).

Los positrones xenerar de forma similar, solo que vamos precisar faer incidir fotones d'enerxíes cimeres a los 1,1 MeV sobre un blancu (d'oru, tungsteniu o cualesquier otru material pesao). Esa enerxía ye la mínima necesaria pa crear un par electrón-positrón. La eficiencia d'esta xeneración ye bien pequeña, colo que nos colisionadores electrón-positrón gástase gran parte de la enerxía consumida nesti procesu.

Anguaño esiste tamién interés en xenerar neutrones pa utilizalos en máquines transmutadoras. Pa ello utilicen protones xeneraos como se describió, qu'impacten sobre blancos que la so seición eficaz o probabilidá de xeneración de neutrones seya alta. Al nun poder acelerar más los neutrones (como se dixo, solo les partícules cargaes pueden acelerase), la so velocidá (o enerxía) final va depender puramente de la enerxía inicial del protón.

Práuticamente toles partícules descrites utilizar pa tratamientos médicos, yá seya en diagnósticu (rayos X, TAC, PET), como nel tratamientu de tumores sólidos (l'usu de protones y neutrones ta xeneralizándose cada vez más pal tratamientu de tumores de mal tratamientu).

Ecuaciones de Lorentz

Ver tamién: Ecuaciones de Maxwell y Fuercia de Lorentz

Representación gráfica de la fuercia de Lorentz (solo la parte debida al campu magnéticu, representáu con direición perpendicular a la pantalla y sentíu pa escontra fuera de la mesma).

Tolos aceleradores rexir poles ecuaciones básiques del electromagnetismu desenvueltes por Maxwell. Sicasí, esiste una ecuación bien senciella que sirve pa definir les fuercies qu'actúen en cada tipu d'acelerador. Esta ye la ecuación o ecuaciones (cuando s'usen de forma separada) de Lorentz. La ecuación puede escribise de forma básica como:

${\vec {F}}=q\cdot ({\vec {Y}}+{\vec {v}}\times {\vec {B}})$

onde ${\vec {F}}$ ye la fuercia que sufre la partícula cargada dientro del campu electromagnético, q ye la carga de la partícula cargada (-1 pal electrón, +1 pal positrón o'l protón, y mayores pa nucleos pesaos), ${\vec {Y}}$ ye'l valor del campu llétrico, ${\vec {B}}$ el campu magnéticu y ${\vec {v}}$ la velocidá de la partícula.

La ecuación traducir en que la partícula recibe una aceleración que ye proporcional a la so carga ya inversamente proporcional a la so masa. Amás, los campos llétricos emburrien a la partícula na direición del movimientu (el sentíu va depender del signu de la carga y del sentíu del propiu campu llétrico), ente que los campos magnéticos curvan la trayeutoria de la partícula (solo cuando'l campu magnéticu ye perpendicular a la trayeutoria), emburriándola escontra'l centru d'una circunferencia que'l so radiu va depender de la magnitú del campu magnéticu, de la velocidá que tenga la partícula nesi momentu y de la so carga y masa.

En resume, los campos llétricos apurren cambeos nel módulu de la velocidá de la partícula, acelerándola o desacelerándola, ente que los campos magnéticu fáenlo describir trayectories curves ensin modificar el so módulu (esto nun ye esautamente asina, una y bones les partícules van perder enerxía pola radiación sincrotrón, pero sirve como primer aproximamientu).

Componentes d'un acelerador

Los aceleradores tienen unos cuantos componentes básicos que son:

Componentes xeneradores de fuercies

• Dipolos llétricos. Aplícase una diferencia de potencial, xenerando un campu llétrico ${\vec {Y}}$ ente dos plaques o tubos. Esto fai que la partícula acelérese, como ente dos fases d'un linac.
• Dipolos magnéticos. Créase un campu magnéticu ${\vec {B}}$ (xeneralmente de forma artificial por aciu bobines) perpendicular a la trayeutoria de la partícula de forma que la curva. Por casu ente les D d'un ciclotrón, faciéndola describir un arcu de 180 graos pa volver a la separación ente dambes. Tamién pa curvar llixeramente (arcos pequeños) el fexe de partícules nun sincrotrón.
• Multipolos magnéticos. Utilizar pa enfocar los fexes de partícules, de cuenta que los campos exerzan les sos aiciones de forma más eficiente y evítense perdes nel trayeutu.

Blancos

Pa crear les partícules xeneraes nos grandes aceleradores precísense blancos, onde les partícules impacten, xenerando una enorme cantidá de partícules secundaries.

Los blancos pueden estremase ente fixos o móviles. Nos fixos se engloban toos aquellos que faen impautar les partícules aceleraes contra un blancu inmóvil, como los aparatos de rayos X o los utilizaos na espalación. Nos móviles atopen aquellos que faen impautar les mesmes partícules ente elles, por casu nos colisionadores, doblando d'esta miente de forma senciella la enerxía que pueden algamar los aceleradores.

Detectores

Artículu principal: Detectores de partícules

Pa ver les partícules xeneraes nel impautu contra'l blancu son necesarios el detectores, qu'actuaríen como los güeyos de los científicos.

Dos de los detectores más conocíos construyíos pa detectar les partícules creaes nos choques son: CMS y ATLES, instalaos nel LHC.

Una versión senciella del conxuntu acelerador-blancu-detector sería l'aparatu de televisión. Nesti casu'l tubu de rayos catódicos ye'l acelerador, qu'impulsa los electrones escontra la pantalla revistida de fósforu interiormente qu'actuaría de blancu, tresformando los electrones en fotones (con enerxía nel rangu del visible) que, si tuviéramos mirando la televisión, impautaríen nos conos y bastoninos de les nueses retines (detectores), unviando señales llétriques al nuesu celebru (el supercomputador) qu'interpreta los resultaos.

Ver tamién

• Acelerador de partícules circular
• Acelerador llinial
• Betatrón
• Bevatron
• Ciclotrón
• Esperimento ATLES (ATLES)
• Gran colisionador d'hadrones (LHC)
• GSI
• Large Electron-Positron collider (LEP)
• Organización Europea pa la Investigación Nuclear (CERN)
• Sincrociclotrón
• Sincrotrón
• Solenoide compactu de muones (CMS)

Enllaces esternos

• Wikimedia Commons acueye conteníu multimedia sobre Acelerador de partícules.
• Construcción amateur d'aceleradores Archiváu 2008-03-05 en Wayback Machine (n'inglés)
• RTFTechnologies.org Construcción amateur d'un acelerador de partícules electrostático (n'inglés)
• ¿Son útiles los aceleradores de partícules? Archiváu 2005-09-02 en Wayback Machine

• Datos: Q130825
• Multimedia: Particle accelerators