Acelerador de particulas. Constitución, tipos y principios físicos

Acelerador de partículas

Abstract

Esta redacción va dirigida con el fin de realizar un breve estudio sobre los aceleradores de partículas, partes y fundamentos que lo constituyen así como la obtención de conclusiones sobre los resultados obtenidos con esta herramienta de la física además de un ligero análisis sobre nuevas teorías que nacen a partir de la experimentación que se realiza con este instrumento.

I. INTRODUCCION

Este instrumento llamado acelerador de partículas, es de gran importancia para la física como lo es el microscopio para el estudio bacteriológico y su análisis es igual de importante como lo es el análisis de la sangre en la medicina, de una u otra manera una nueva etapa se marco con el descubrimiento del acelerador de partículas que tienen sus inicios alrededor de 1930.

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser un tubo de rayos catódicos ordinario, formando parte de las televisiones domésticas comunes o los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia1.

II. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL ACELERADOR DE PARTÍCULAS

Continuando con un poco de historia, el acelerador de partículas encuentra sus inicios a fines del siglo 18, cuando el físico francés Henri Becquerel descubre el fenómeno de la radiactividad el cual sería la base para los estudios posteriores del acelerador de partículas.

En el año de 1911, Ernest Rutherford y su equipo utilizaron una fuente de partículas con radiación de tipo alfa como proyectiles para comprobar la estructura de la material propuesta por Thompson.

El resultado sorprendente que se encontró fue que una partícula alfa de cada diez mil era rebotada a ángulos grandes. En un libro de física, Feynman menciona una analogía para recalcar lo sorpresivo de estos resultados y dice: "puede compararse a la sorpresa que tendría una persona que disparara balas con un rifle a una almohada llena de plumas y encontrara que algunas de las rebotaran hacia él".2

La conclusión a la que llegaría el que está disparando, es que dentro de la almohada además de plumas esta contiene objetos muy masivos tales como balas de cañón. La única forma de explicar los resultados de los experimentos de Rutherford fue la de suponer que la mayor parte de la masa de los átomos de oro, estaba concentrada en un pequeño volumen, al cual se le llamó el núcleo atómico y fue así lo que dio origen al modelo nuclear de los átomos.

Figura 1. Ilustración experimento Rutherford

El estudio del núcleo atómico tanto en el ámbito teórico como experimental dio origen a una nueva rama de la ciencia llamada la física nuclear y el estudio experimental de estos sistemas se hizo inicialmente estudiando las colisiones de los núcleos con proyectiles producidos por fuentes radiactivas. Las limitaciones que tuvieron los primeros físicos nucleares, eran que disponían de pocas fuentes radiactivas y también estas eran poco intensas, por lo que los experimentos eran muy largos y tediosos. Otra limitación fue que los experimentadores no podían seleccionar el tipo de proyectil y su energía tampoco la podían variar adecuadamente.

La necesidad de disponer de instrumentos para generar proyectiles con los cuales el experimentador pudiera controlar el tipo de partícula (protones, deuterones, alfas, etc.) así como su energía y flujo de estos (corriente eléctrica) fue lo que originó el invento de esos instrumentos a los cuales se les llamó aceleradores de partículas.

III. ACELERADOR DE PARTÍCULAS: CONSTITUCIÓN, TIPOS Y PRINCIPIOS FÍSICOS

¿Que es un acelerador de partículas?

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente de forma que éstas colisionen entre sí hasta alcanzar velocidades cercanas a la de la luz y energías muy elevadas.

Existen dos tipos básicos de aceleradores: los lineales y los circulares. Un acelerador puede ser desde un tubo de rayos catódicos como los que se encuentran en el interior de un monitor de ordenador o un televisor, hasta grandes instrumentos que ocupan áreas kilométricas.4

A. Aceleradores Lineales

Los aceleradores lineales de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

Figura 2 Trayectoria Acelerador Lineal

B. Aceleradores Circulares

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la

velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Figura 3 Trayectoria Acelerador Circular

Para un mismo campo eléctrico de aceleración, el acelerador circular permite alcanzar mayores energías, pues la particular pasa repetidas veces por el campo.

Por otro lado, es más sencillo conducir la partícula en la dirección adecuada en un acelerador lineal debido a que no se necesita curvar su trayectoria y solo pasa una vez por cada punto, entre otros motivos.

Existen dos tipos principales de aceleradores de partículas de los cuales se derivan algunos otros, analizaremos estos dos tipos de aceleradores, los cuales analizaremos brevemente a continuación:

C. Ciclotron

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10

MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece.

Figura 4 Dibujo de un acelerador ciclotrón

D. Sincrotron

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos, pasando de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:

El desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas impensables, sistemas de vacío, que permitan mantener las partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del haz inadmisibles, superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las partículas en las distintas configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los análisis

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