Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que une dos haces de partículas opuestos de manera que las partículas chocan. [1] Los colisionadores pueden ser aceleradores de anillo o aceleradores lineales .
Los colisionadores se utilizan como una herramienta de investigación en física de partículas al acelerar las partículas a una energía cinética muy alta y dejar que impacten en otras partículas. El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos una buena evidencia de la estructura del mundo subatómico y las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Estos pueden volverse evidentes solo a altas energías y por pequeños períodos de tiempo y, por lo tanto, pueden ser difíciles o imposibles de estudiar de otras maneras.
Explicación
En física de partículas, uno adquiere conocimiento sobre las partículas elementales acelerando las partículas a una energía cinética muy alta y dejándolas impactar sobre otras partículas. Para una energía suficientemente alta, se produce una reacción que transforma las partículas en otras partículas. La detección de estos productos brinda información sobre la física involucrada.
Para hacer tales experimentos, hay dos configuraciones posibles:
- Configuración de objetivo fijo : un rayo de partículas (los proyectiles ) se acelera con un acelerador de partículas y, como compañero de colisión, se coloca un objetivo estacionario en la trayectoria del rayo.
- Colisionador : Dos haces de partículas se aceleran y los haces se dirigen entre sí, de modo que las partículas chocan mientras vuelan en direcciones opuestas. Este proceso se puede utilizar para hacer extraños y antimateria.
La configuración del colisionador es más difícil de construir, pero tiene la gran ventaja de que, según la relatividad especial, la energía de una colisión inelástica entre dos partículas que se acercan entre sí con una velocidad determinada no es solo 4 veces más alta que en el caso de una partícula en reposo (como sería en física no relativista); puede ser órdenes de magnitud mayor si la velocidad de colisión está cerca de la velocidad de la luz.
En el caso de un colisionador donde el punto de colisión está en reposo en el marco del laboratorio (es decir, ), el centro de energía de masa (la energía disponible para producir nuevas partículas en la colisión) es simplemente , dónde y es la energía total de una partícula de cada haz. Para un experimento de objetivo fijo donde la partícula 2 está en reposo,. [2]
Historia
La primera propuesta seria para un colisionador se originó con un grupo de la Asociación de Investigación de Universidades del Medio Oeste (MURA). Este grupo propuso construir dos anillos aceleradores FFAG de sector radial tangente . [3] Tihiro Ohkawa , uno de los autores del primer artículo, pasó a desarrollar un diseño de acelerador FFAG de sector radial que podría acelerar dos haces de partículas en contrarrotación dentro de un solo anillo de imanes. [4] [5] El tercer prototipo de FFAG construido por el grupo MURA fue una máquina de electrones de 50 MeV construida en 1961 para demostrar la viabilidad de este concepto.
Gerard K. O'Neill propuso usar un solo acelerador para inyectar partículas en un par de anillos de almacenamiento tangentes . Como en la propuesta original de MURA, las colisiones ocurrirían en la sección tangente. El beneficio de los anillos de almacenamiento es que el anillo de almacenamiento puede acumular un flujo de luz de carretera de un acelerador de inyección que logra un flujo mucho más bajo. [6]
Los primeros colisionadores de electrones y positrones fueron construidos a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960 en Italia, en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Frascati, cerca de Roma, por el físico austriaco-italiano Bruno Touschek y en los EE. William C. Barber, Bernard Gittelman, Gerry O'Neill y Burton Richter. Casi al mismo tiempo, a principios de la década de 1960, el colisionador electrón-electrón VEP-1 se desarrolló y construyó de forma independiente bajo la supervisión de Gersh Budker en el Instituto Soviético de Física Nuclear . [7]
En 1966, se comenzó a trabajar en los anillos de almacenamiento que se cruzan en el CERN , y en 1971, este colisionador estaba operativo. [8] El ISR era un par de anillos de almacenamiento que acumulaban partículas inyectadas por el Sincrotrón de Protones del CERN . Este fue el primer colisionador de hadrones, ya que todos los esfuerzos anteriores habían funcionado con electrones o con electrones y positrones .
En 1968 se inició la construcción del complejo de aceleradores del Tevatron en Fermilab . En 1986 se registraron las primeras colisiones de protones y antiprotones en un centro de energía de masa de 1,8 TeV, lo que lo convirtió en el colisionador de mayor energía del mundo en ese momento.
El colisionador de mayor energía del mundo (a partir de 2016) es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Actualmente se están considerando varios proyectos de colisionadores de partículas. [9] [10]
Colisionadores operativos
Fuentes: La información se tomó del sitio web Particle Data Group . [11]
Acelerador | Centro, ciudad, país | Primera operación | partículas aceleradas | energía máxima por haz, GeV | Luminosidad , 10 30 cm −2 s −1 | Perímetro (longitud), km |
---|---|---|---|---|---|---|
VEPP-2000 | INP , Novosibirsk , Rusia | 2006 | mi+ mi- | 1.0 | 100 | 0,024 |
VEPP-4М | INP , Novosibirsk , Rusia | 1994 | mi+ mi- | 6 | 20 | 0.366 |
BEPC II | IHEP , Pekín , China | 2008 | mi+ mi- | 2,45 [12] | 1000 | 0,240 |
DAFNE | LNF , Frascati , Italia | 1999 | mi+ mi- | 0.510 | 453 [13] | 0,098 |
SuperKEKB | KEK , Tsukuba , Japón | 2018 | mi+ mi- | 7 ( mi- ), 4 ( mi+ ) | 24000 [14] | 3.016 |
RHIC | BNL , Nueva York , Estados Unidos | 2000 | pag pag , Au-Au, Cu-Cu, d -Au | 255, 100 / n | 245, 0.0155, 0.17, 0.85 | 3.834 |
LHC | CERN | 2008 | pp, Pb -Pb, p-Pb, Xe-Xe | 6500 (planificado 7000), 2560 / n (planificado 2760 / n ) | 21000, [15] 0,0061, 0,9, 0,0004 | 26.659 |
Ver también
- Lista de colisionadores
- Gran colisionador de electrones y positrones
- Gran Colisionador de Hadrones
- Colisionador de hadrones muy grande
- Colisionador de iones pesados relativista
- Colisionador lineal internacional
- Anillo de almacenamiento
- Tevatron
- Conferencia internacional sobre colisiones fotónicas, electrónicas y atómicas
- Colisionador circular futuro
Referencias
- ^ https://news.fnal.gov/2013/08/fixed-target-vs-collider/
- ^ Herr, Werner; Muratori, Bruno (2003). "Concepto de luminosidad" . Escuela Aceleradora del CERN : 361–378 . Consultado el 2 de noviembre de 2016 .
- ^ Kerst, DW ; Cole, FT; Crane, HR; Jones, LW; et al. (1956). "Obtención de muy alta energía mediante la intersección de haces de partículas". Revisión física . 102 (2): 590–591. Código bibliográfico : 1956PhRv..102..590K . doi : 10.1103 / PhysRev.102.590 .
- ^ Patente estadounidense 2890348 , Tihiro Ohkawa, " Acelerador de partículas ", emitida el 9 de junio de 1959
- ↑ Science: Physics & Fantasy, Time , lunes 11 de febrero de 1957.
- ^ O'Neill, G. (1956). "Sincrotrón de anillo de almacenamiento: dispositivo para la investigación de la física de alta energía" (PDF) . Revisión física . 102 (5): 1418–1419. Código Bibliográfico : 1956PhRv..102.1418O . doi : 10.1103 / PhysRev.102.1418 . Archivado desde el original (PDF) el 6 de marzo de 2012.
- ^ Shiltsev, V. (2013). "Los primeros colisionadores: AdA, VEP-1 y Princeton-Stanford". arXiv : 1307.3116 [ physics.hist-ph ].
- ↑ Kjell Johnsen, The ISR in the time of Jentschke, CERN Courier , 1 de junio de 2003.
- ^ Shiltsev, V. (2012). "Colisionadores de partículas de alta energía: últimos 20 años, próximos 20 años y más allá". Física-Uspekhi . 55 (10): 965–976. arXiv : 1205.3087 . Código bibliográfico : 2012PhyU ... 55..965S . doi : 10.3367 / UFNe.0182.201210d.1033 . S2CID 118476638 .
- ^ Shiltsev, V. (2015). "Bola de cristal: en los futuros colisionadores de alta energía". Actas de la Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre Física de Altas Energías (EPS-HEP2015). 22 a 29 de julio de 2015. Viena : 515. arXiv : 1511.01934 . Código bibliográfico : 2015ehep.confE.515S .
- ^ "Parámetros de colisionador de alta energía" (PDF) . Consultado el 3 de junio de 2021 .
- ^ Vosotros, Minghan; Yuan, Changzheng (2020). 30 años de Bes Physics: Actas del Simposio . World Scientific . pag. 319. ISBN 978-981-121-772-2.
- ^ Zobov, M. (2010). "Prueba de colisiones de cintura de cangrejo en la fábrica de DAΦNE Φ" . Cartas de revisión física . 104 (17): 174801. doi : 10.1103 / PhysRevLett.104.174801 .
- ^ "El colisionador SuperKEKB logra la mayor luminosidad del mundo" . 2020-06-26 . Consultado el 26 de junio de 2020 .
- ^ Colaboración ATLAS (2020). "Rendimiento de los disparadores de electrones y fotones en ATLAS durante LHC Run 2" . El European Physical Diario C . 80 : 47. doi : 10.1140 / epjc / s10052-019-7500-2 .
enlaces externos
- LHC: el gran colisionador de hadrones en la web
- El colisionador de iones pesados relativista (RHIC)