Qué es un Acelerador de partículas

ACELERADOR DE PARTICULAS

“No hay nada especial ni nada mágico en el mundo, es solo física”

Introducción

Hoy en día tenemos muchas cosas que para nuestros antepasados eran solamente sueños, que parecían prácticamente imposibles, y a los que los postulaban los llamaban lunáticos, como a Julio Verne que predijo el helicóptero entre otras cosas; el Acelerador de Partículas es un claro ejemplo de esto a pesar de que se construyó el primer acelerador de iones positivos en 1933, los aceleradores que hoy conocemos eran simplemente anhelos, anhelos que se convirtieron en realidad por la ambición de algunos, esa ambición que ha llevado a la humanidad a seguir avanzado en cuanto a tecnología y ciencia, y es increíble como gracias a ellos podemos estudiar un mundo que no es visible a nuestros ojos y saber que hay cargas positivas , negativas, hay átomos etc., un sinfín de cosas.

Nuestro equipo ha tomado la decisión de hacer una adaptación de un acelerador de partículas a escala tratando de imitar al más grande que hay en el mundo ubicado entre Ginebra, Suiza y Francia , es un gran reto debido a todo el trabajo que se llevara a cabo y todos los conocimientos que tendremos que adquirir, pero a pesar de que sabemos todo lo que implica para unos chicos de Secundaria pero sabemos que a final de cuentas los que lo construyeron también empezaron a pequeña escala.

A continuación se presentara, toda la investigación que se llevó acabo, para poder lograr colisionar las partículas, y el procedimiento así como los resultados que se obtuvieron.

Objetivo

Fomentar en los alumnos la creatividad e interés por la investigación científica además de fortalecer el aprendizaje de la ciencia , el uso de la tecnología e impulsar la innovación como factores determinantes para el desarrollo de sus habilidades.

En muchas ocasiones las fórmulas y otras demostraciones aburren y llegan a confundir, en lugar de esclarecer el génesis del conocimiento que tantos años han costado de desentrañar. Con la ayuda de maquetas y otros ingenios se puede ver como a los espectadores se les abren los ojos y muestran una expresión de perplejidad que les delata ante esta nueva visión del acontecimiento.

Con éste proyecto pretendemos introducir, de manera símil e intuitiva el fundamento y la estructura funcional del acelerador de partículas que ha sido construido en Ginebra “CERN”.

El reto ha sido el de obtener una maqueta real en la que se aprecie el comportamiento de aceleración de una partícula física visible, alrededor de un anillo por la que circulará a una velocidad controlable electrónicamente. El desafío no es fácil, pero con tenacidad y constancia ha llegado a buen puerto. A lo largo del documento vamos a detallar la construcción de este prototipo didáctico. Finalmente hemos conseguido acelerar una bola de acero alrededor de un anillo hecho con tubo transparente de plástico, controlando de manera efectiva su velocidad de rotación.

La esfera, pretende simular una “gran partícula” visible, imitando lo que sucede en un acelerador real. Modestamente se trata de una pequeña maqueta didáctica auto construida con materiales de fácil abasto.

Hipótesis:

Se pretende por medio de una maqueta a escala hacer girar una “partícula” (bola de acero) alrededor de un anillo de plástico a un velocidad controlable, tal como en ALICE, LHC.

Se pretende hacer colisionar partículas con carga negativa en comparación del acelerador ALICE y el LHC, que son positivas, mediante una adaptación de este.

Conceptos a tener en claro:

“Sólo hay una ciencia: la física. Todo lo demás es asistencia social.-James Watson

¿Qué es un Acelerador de partículas?

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, desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos 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 materia. Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares. El LHC es el más potente construido, y permitirá observar a las partículas como se supone que estaban poco tiempo tras el big bang, con una energía enorme. Pero sobre todo lo que se persigue es experimentar, descubrir nuevos fenómenos, y con ello poner a prueba nuestras teorías sobre partículas elementales, para confirmar las hipótesis manejadas en ellas, o para rechazarlas y en caso de ser así observar qué pasa en realidad para abrir una vía al desarrollo de teorías nuevas. De todo ello depende el desarrollo de la ciencia fundamental, y de los conocimientos teóricos aprendidos bien podría descubrirse formas inimaginadas de manipular la materia con aplicaciones en todo lo imaginable. Es casi como cuando se empezó a investigar la electricidad en el siglo XVIII, los científicos que lo hicieron no podían ni imaginar cómo todo eso cambiaría el mundo.

Marco teórico: Acelerador de partículas

Uno de los descubrimientos científicos más importantes para la humanidad fue el ocurrido en el año de 1896 cuando el físico francés Henri Becquerel descubrió el fenómeno conocido como radiactividad y que consiste en la propiedad que poseen algunos átomos (tales como radio, polonio y torio) de emitir energía espontáneamente.

En estudios posteriores se determinó la naturaleza de esta energía, consistente en la emisión de partículas y fotones, y se usaron las primeras letras del alfabeto griego para designarlas como radiación: alfa, beta y gama. La radiación alfa consiste de partículas mono energéticas, con carga eléctrica positiva y se identificaron como núcleos de helio. La energía de estas partículas se refiere a energía cinética y estas partículas son emitidas con gran velocidad.

La radiación beta está constituida por electrones tanto con carga positiva y negativa. Los electrones con carga positiva se les llaman positrones. A diferencia de las alfa las partículas beta no eran mono energéticas y son emitidas con distribución de energías con valor cero hasta un valor máximo. La radiación gamma no tiene carga eléctrica y son ondas electromagnéticas, al igual que los rayos X, la luz visible, la violeta, etc.. Como es sabido cuando esta radiación interacciona con la materia presenta la característica de fotones. Ernest Rutherford y sus colaboradores Marsden y Geiger en el año de 1911 utilizaron una fuente de partículas alfa como proyectiles para comprobar la teoría sobre la estructura de la materia propuesta por Thompson, también conocida como el modelo atómico del pastel.

Debido a la trascendencia de los resultados de estos experimentos y de los procedimientos experimentales utilizados, es conveniente recordar algunos detalles. En este experimento se utilizó una pequeña fuente radiactiva de radio de 7 mg, la cual emitía partículas alfa a una razón de 6 millones de partículas por segundo. Se colimó un haz de partículas alfa para bombardear una delgada película transparente de oro. El experimento consistió en determinar cómo eran desviadas estas partículas en función del ángulo θ. Si la teoría de Thompson era correcta, se esperaba observar que la mayoría de las partículas alfas fueran desviadas ligeramente con respecto a la dirección de incidencia, debido a que la masa de los proyectiles era mayor que el de las partículas constituyentes de los átomos, ya que en esa época se consideraba que los átomos estaban constituidos solo por protones y electrones.

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 balas rebotaran hacia él ". 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.

Es importante recalcar que el principio del procedimiento utilizado por Rutherford y colaboradores en este experimento es el mismo que se utiliza rutinariamente en muchos de los laboratorios equipados con modernos y complejos aceleradores de partículas. 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

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