Un acelerador de partículas es una máquina que utiliza campos electromagnéticos para impulsar partículas cargadas a velocidades y energías muy altas, y para contenerlas en haces bien definidos . [1]
Los grandes aceleradores se utilizan para la investigación fundamental en física de partículas . El acelerador más grande que opera actualmente es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza, operado por el CERN . Es un acelerador colisionador , que puede acelerar dos haces de protones a una energía de 6,5 TeV y hacer que colisionen de frente, creando energías de centro de masa de 13 TeV. Otros potentes aceleradores son el RHIC en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York y, anteriormente, el Tevatron en Fermilab , Batavia, Illinois. Los aceleradores también se utilizan como fuentes de luz de sincrotrónpara el estudio de la física de la materia condensada . Aceleradores de partículas más pequeñas se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo terapia de partículas para oncológicos propósitos, radioisótopo de producción para el diagnóstico médico, implantación iónica para la fabricación de semiconductores, y de acelerador espectrómetros de masas para las mediciones de isótopos raros tales como radiocarbono . Actualmente hay más de 30.000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo. [2]
Hay dos clases básicas de aceleradores: aceleradores electrostáticos y electrodinámicos (o electromagnéticos). [3] Los aceleradores de partículas electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar las partículas. Los tipos más comunes son el generador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff . Un ejemplo a pequeña escala de esta clase es el tubo de rayos catódicos de un televisor viejo y corriente. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por el voltaje de aceleración , que está limitado por una falla eléctrica . Electrodinámico o electromagnéticoLos aceleradores, por otro lado, utilizan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea por inducción magnética o campos de radiofrecuencia oscilantes ) para acelerar las partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden atravesar el mismo campo de aceleración varias veces, la energía de salida no está limitada por la fuerza del campo de aceleración. Esta clase, que se desarrolló por primera vez en la década de 1920, es la base de la mayoría de los aceleradores modernos a gran escala.
Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck , y Ernest Lawrence se consideran pioneros de este campo, la concepción y la construcción de la primera operacional acelerador lineal de partículas , [4] el betatrón , y el ciclotrón .
Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores eran generalmente los átomos de una pieza de materia, con el objetivo de crear colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, los aceleradores se conocían comúnmente como destructores de átomos en el siglo XX. [5] El término persiste a pesar del hecho de que muchos aceleradores modernos crean colisiones entre dos partículas subatómicas , en lugar de una partícula y un núcleo atómico. [6] [7] [8]
Los haces de partículas de alta energía son útiles para la investigación fundamental y aplicada en las ciencias, y también en muchos campos técnicos e industriales no relacionados con la investigación fundamental. [9] Se ha estimado que hay aproximadamente 30.000 aceleradores en todo el mundo. De estos, solo alrededor del 1% son máquinas de investigación con energías superiores a 1 GeV , mientras que alrededor del 44% son para radioterapia, 41% para implantación de iones , 9% para procesamiento e investigación industrial y 4% para investigación biomédica y otras investigaciones de baja energía. [10]