Acelerador de partículas

Dispositivo para propulsar partículas cargadas a altas velocidades

"Atom smasher" y "Supercollider" vuelven a dirigir aquí. Para otros usos, consulte Atom smasher (desambiguación) y Supercollider (desambiguación) .

El Tevatron , un acelerador de partículas de tipo colisionador de sincrotrón en Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, Illinois, EE. UU. Cerrado en 2011, hasta 2007 fue el acelerador de partículas más poderoso del mundo, acelerando protones a una energía de más de 1  TeV (tera electronvoltios). Los haces de protones circulantes en las dos cámaras de vacío circulares en los dos anillos visibles colisionaron en su punto de intersección.

Animación que muestra el funcionamiento de un acelerador lineal , ampliamente utilizado tanto en la investigación física como en el tratamiento del cáncer.

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 básica 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 RHIC en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York y, anteriormente, 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 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 solían ser los átomos de una pieza de materia, con el objetivo de crear colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, los aceleradores se denominaban comúnmente 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]}

Usos

Líneas de luz que van desde el acelerador Van de Graaff a varios experimentos, en el sótano del campus Jussieu en París .

Edificio que cubre el tubo de haz de 3,2 km (2 millas) del Acelerador Lineal Stanford (SLAC) en Menlo Park, California, el segundo Linac más poderoso del mundo.

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. 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. ^[9]

Física de altas energías

Para las investigaciones más básicas sobre la dinámica y la estructura de la materia, el espacio y el tiempo, los físicos buscan los tipos más simples de interacciones con las energías más altas posibles. Éstos generalmente implican energías de partículas de muchos GeV e interacciones de los tipos más simples de partículas: leptones (por ejemplo, electrones y positrones ) y quarks para la materia, o fotones y gluones para los cuantos de campo . Dado que los quarks aislados no están disponibles experimentalmente debido al confinamiento del color , los experimentos disponibles más simples involucran las interacciones de, primero, leptones entre sí, y segundo, de leptones con nucleones., que se componen de quarks y gluones. Para estudiar las colisiones de los quarks entre sí, los científicos recurren a las colisiones de nucleones, que a alta energía pueden considerarse de manera útil como interacciones esencialmente de dos cuerpos de los quarks y gluones que los componen. Estos físicos de partículas elementales tienden a usar máquinas que crean haces de electrones, positrones, protones y antiprotones , interactuando entre sí o con los núcleos más simples (por ejemplo, hidrógeno o deuterio ) a las energías más altas posibles, generalmente cientos de GeV o más.

El acelerador de partículas más grande y de mayor energía utilizado para la física de partículas elementales es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , que funciona desde 2009. ^[10]

Física nuclear y producción de isótopos

Los físicos nucleares y los cosmólogos pueden utilizar haces de núcleos atómicos desnudos , despojados de electrones, para investigar la estructura, las interacciones y las propiedades de los propios núcleos y de la materia condensada a temperaturas y densidades extremadamente altas, como podría haber ocurrido en los primeros momentos. del Big Bang . Estas investigaciones a menudo involucran colisiones de núcleos pesados, de átomos como el hierro o el oro  , a energías de varios GeV por nucleón . El acelerador de partículas más grande de este tipo es el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista (RHIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven .

Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de protones, que pueden producir isótopos médicos o de investigación ricos en protones, a diferencia de los ricos en neutrones fabricados en los reactores de fisión ; sin embargo, un trabajo reciente ha demostrado cómo producir ⁹⁹ Mo , generalmente elaborado en reactores, mediante la aceleración de isótopos de hidrógeno, ^[11] aunque este método todavía requiere un reactor para producir tritio . Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE en Los Alamos .

Radiación de sincrotrón

Los electrones que se propagan a través de un campo magnético emiten haces de fotones muy brillantes y coherentes a través de la radiación de sincrotrón . Tiene numerosos usos en el estudio de la estructura atómica, la química, la física de la materia condensada, la biología y la tecnología. Existe una gran cantidad de fuentes de luz de sincrotrón en todo el mundo. Ejemplos en los EE. UU. Son SSRL en SLAC National Accelerator Laboratory , APS en Argonne National Laboratory, ALS en Lawrence Berkeley National Laboratory y NSLS en Brookhaven National Laboratory . En Europa, hay MAX IV en Lund, Suecia,BESSY en Berlín, Alemania, Diamond en Oxfordshire, Reino Unido, ESRF en Grenoble , Francia, este último se ha utilizado para extraer imágenes tridimensionales detalladas de insectos atrapados en ámbar. ^[12]

Los láseres de electrones libres (FEL) son una clase especial de fuentes de luz basadas en la radiación de sincrotrón que proporciona pulsos más cortos con mayor coherencia temporal . Un FEL especialmente diseñado es la fuente de rayos X más brillante del universo observable. ^[13] Los ejemplos más destacados son el LCLS en EE. UU. Y el XFEL europeo en Alemania. Se está prestando más atención a los láseres de rayos X suaves , que junto con el acortamiento del pulso abren nuevos métodos para la ciencia de attosegundos . ^[14] Además de los rayos X, los FEL se utilizan para emitir luz en terahercios., por ejemplo, FELIX en Nijmegen, Países Bajos, TELBE en Dresden, Alemania y NovoFEL en Novosibirsk, Rusia.

Por lo tanto, existe una gran demanda de aceleradores de electrones de energía moderada ( GeV ), alta intensidad y alta calidad de haz para impulsar fuentes de luz.

Máquinas de bajo consumo energético y terapia de partículas

Los ejemplos cotidianos de aceleradores de partículas son los tubos de rayos catódicos que se encuentran en los televisores y los generadores de rayos X. Estos aceleradores de baja energía utilizan un solo par de electrodos con una DC de tensión de unos pocos miles de voltios entre ellos. En un generador de rayos X, el objetivo en sí es uno de los electrodos. Un acelerador de partículas de baja energía llamado implantador de iones se utiliza en la fabricación de circuitos integrados .

A energías más bajas, los haces de núcleos acelerados también se utilizan en medicina como terapia de partículas , para el tratamiento del cáncer.

Los tipos de aceleradores de CC capaces de acelerar partículas a velocidades suficientes para provocar reacciones nucleares son los generadores o multiplicadores de voltaje Cockcroft-Walton , que convierten CA en CC de alto voltaje, o los generadores Van de Graaff que utilizan electricidad estática transportada por correas.

Esterilización por radiación de dispositivos médicos

El procesamiento por haz de electrones se usa comúnmente para la esterilización. Los haces de electrones son una tecnología de encendido y apagado que proporcionan una tasa de dosis mucho más alta que los rayos gamma o X emitidos por radioisótopos como el cobalto-60 ( ⁶⁰ Co) o el cesio-137 ( ¹³⁷ Cs). Debido a la tasa de dosis más alta, se requiere menos tiempo de exposición y se reduce la degradación del polímero. Debido a que los electrones llevan una carga, los haces de electrones son menos penetrantes que los rayos gamma y los rayos X. ^[15]

Aceleradores de partículas electrostáticos

Un generador Cockcroft-Walton ( Philips , 1937), residente en Science Museum (Londres) .

Artículo principal: acelerador nuclear electrostático

Un acelerador Van de Graaff lineal de 2 MeV de una sola etapa de los años 60, aquí abierto para mantenimiento

Históricamente, los primeros aceleradores utilizaron tecnología simple de un solo alto voltaje estático para acelerar las partículas cargadas. La partícula cargada se aceleró a través de un tubo de vacío con un electrodo en cada extremo, con el potencial estático a través de él. Dado que la partícula pasó solo una vez a través de la diferencia de potencial, la energía de salida se limitó al voltaje de aceleración de la máquina. Si bien este método sigue siendo extremadamente popular hoy en día, ya que los aceleradores electrostáticos superan en gran medida a cualquier otro tipo, son más adecuados para estudios de energía más baja debido al límite de voltaje práctico de aproximadamente 1 MV para máquinas con aislamiento de aire, o 30 MV cuando el acelerador se opera en un tanque de gas presurizado con alta rigidez dieléctrica , como el hexafluoruro de azufre . en unacelerador en tándem el potencial se utiliza dos veces para acelerar las partículas, invirtiendo la carga de las partículas mientras están dentro de la terminal. Esto es posible con la aceleración de los núcleos atómicos mediante el uso de aniones ( iones con carga negativa ) y luego pasando el rayo a través de una lámina delgada para quitar los electrones de los aniones dentro del terminal de alto voltaje, convirtiéndolos en cationes (iones con carga positiva), que se aceleran de nuevo al salir de la terminal.

Los dos tipos principales de acelerador electrostático son el acelerador Cockcroft-Walton , que usa un multiplicador de voltaje de diodo-capacitor para producir alto voltaje, y el acelerador Van de Graaff , que usa una correa de tela en movimiento para llevar la carga al electrodo de alto voltaje. Aunque los aceleradores electrostáticos aceleran las partículas a lo largo de una línea recta, el término acelerador lineal se utiliza con más frecuencia para los aceleradores que emplean campos eléctricos oscilantes en lugar de estáticos.

Aceleradores de partículas electrodinámicos (electromagnéticos)

Debido al techo de alto voltaje impuesto por la descarga eléctrica, para acelerar las partículas a energías más altas, se utilizan técnicas que involucran campos dinámicos en lugar de campos estáticos. La aceleración electrodinámica puede surgir de cualquiera de dos mecanismos: inducción magnética no resonante o circuitos o cavidades resonantes excitados por campos de RF oscilantes . ^[16] Los aceleradores electrodinámicos pueden ser lineales , con partículas acelerando en línea recta, o circulares , usando campos magnéticos para doblar partículas en una órbita más o menos circular.

Aceleradores de inducción magnética

Los aceleradores de inducción magnética aceleran las partículas por inducción de un campo magnético creciente, como si las partículas fueran el devanado secundario de un transformador. El campo magnético creciente crea un campo eléctrico circulante que se puede configurar para acelerar las partículas. Los aceleradores de inducción pueden ser lineales o circulares.

Aceleradores de inducción lineal

Artículo principal: acelerador de inducción lineal

Los aceleradores de inducción lineal utilizan cavidades de inducción no resonantes cargadas de ferrita. Cada cavidad puede considerarse como dos grandes discos en forma de arandela conectados por un tubo cilíndrico exterior. Entre los discos hay un toroide de ferrita. Un pulso de voltaje aplicado entre los dos discos provoca un campo magnético creciente que acopla inductivamente energía al haz de partículas cargadas. ^[17]

El acelerador de inducción lineal fue inventado por Christofilos en la década de 1960. ^[18] Los aceleradores de inducción lineal son capaces de acelerar corrientes de haz muy altas (> 1000 A) en un solo pulso corto. Se han utilizado para generar rayos X para radiografía flash (por ejemplo, DARHT en LANL ), y se han considerado como inyectores de partículas para la fusión por confinamiento magnético y como impulsores de láseres de electrones libres .

Betatrons

Artículo principal: Betatron

El Betatron es un acelerador de inducción magnética circular, inventado por Donald Kerst en 1940 para acelerar electrones . El concepto se origina en última instancia del científico noruego-alemán Rolf Widerøe . Estas máquinas, como los sincrotrones, usan un anillo magnético en forma de rosquilla (ver más abajo) con un campo B cíclicamente creciente, pero aceleran las partículas por inducción del campo magnético creciente, como si fueran el devanado secundario de un transformador, debido a la cambio de flujo magnético a través de la órbita. ^{[19] [20]}

Lograr un radio orbital constante mientras se suministra el campo eléctrico de aceleración adecuado requiere que el flujo magnético que une la órbita sea algo independiente del campo magnético en la órbita, doblando las partículas en una curva de radio constante. En la práctica, estas máquinas se han visto limitadas por las grandes pérdidas radiativas sufridas por los electrones que se mueven casi a la velocidad de la luz en una órbita de radio relativamente pequeño.

Aceleradores lineales

Artículo principal: acelerador de partículas lineal

Radiofrecuencia superconductora moderna , componente acelerador lineal multicelda.

En un acelerador de partículas lineal (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un objetivo de interés en un extremo. A menudo se utilizan para proporcionar una patada inicial de baja energía a las partículas antes de que se inyecten en aceleradores circulares. El Linac más largo del mundo es el Acelerador Lineal de Stanford , SLAC, que tiene 3 km (1,9 millas) de largo. SLAC es un colisionador de electrones y positrones .

Los aceleradores lineales de alta energía utilizan una matriz lineal de placas (o tubos de deriva) a los que se aplica un campo alterno de alta energía. A medida que las partículas se acercan a una placa, se aceleran hacia ella mediante una carga de polaridad opuesta aplicada a la placa. A medida que pasan a través de un orificio en la placa, la polaridad se cambia de modo que la placa ahora los repele y ahora son acelerados hacia la siguiente placa. Normalmente se acelera una corriente de "manojos" de partículas, por lo que se aplica un voltaje de CA cuidadosamente controlado a cada placa para repetir continuamente este proceso para cada manojo.

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de conmutación de los campos eléctricos se vuelve tan alta que operan a frecuencias de radio , por lo que se utilizan cavidades de microondas en máquinas de mayor energía en lugar de placas simples.

Los aceleradores lineales también se utilizan ampliamente en medicina , para radioterapia y radiocirugía . Los linacs de grado médico aceleran los electrones utilizando un klistrón y una compleja disposición de imán de flexión que produce un haz de energía de 6-30  MeV . Los electrones se pueden utilizar directamente o se pueden colisionaron con una diana para producir un haz de rayos-X . La confiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido ha suplantado en gran medida el uso anterior de la terapia con cobalto-60 como herramienta de tratamiento.

Aceleradores de RF circulares o cíclicos

En el acelerador circular, las partículas se mueven en círculo hasta que alcanzan la energía suficiente. La pista de partículas se dobla típicamente en un círculo usando electroimanes . La ventaja de los aceleradores circulares sobre los aceleradores lineales ( linacs ) es que la topología de anillo permite una aceleración continua, ya que la partícula puede transitar indefinidamente. Otra ventaja es que un acelerador circular es más pequeño que un acelerador lineal de potencia comparable (es decir, un linac tendría que ser extremadamente largo para tener la potencia equivalente de un acelerador circular).

Dependiendo de la energía y de la partícula que se acelera, los aceleradores circulares adolecen de la desventaja de que las partículas emiten radiación de sincrotrón . Cuando cualquier partícula cargada se acelera, emite radiación electromagnética y emisiones secundarias . Como una partícula que viaja en un círculo siempre acelera hacia el centro del círculo, irradia continuamente hacia la tangente del círculo. Esta radiación se llama luz de sincrotrón y depende en gran medida de la masa de la partícula en aceleración. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son linacs. Sin embargo, algunos aceleradores ( sincrotrones ) están construidos especialmente para producir luz de sincrotrón ( rayos X ).

Dado que la teoría especial de la relatividad requiere que la materia siempre viaje más lento que la velocidad de la luz en el vacío , en los aceleradores de alta energía, a medida que la energía aumenta, la velocidad de las partículas se acerca a la velocidad de la luz como límite, pero nunca la alcanza. Por lo tanto, los físicos de partículas generalmente no piensan en términos de velocidad, sino más bien en términos de la energía o el momento de una partícula , generalmente medido en electronvoltios (eV). Un principio importante para los aceleradores circulares y los haces de partículas en general es que la curvaturade la trayectoria de la partícula es proporcional a la carga de la partícula y al campo magnético, pero inversamente proporcional a la (típicamente relativista ) impulso .

Ciclotrones

El ciclotrón de Lawrence de 60 pulgadas, con polos magnéticos de 60 pulgadas (5 pies, 1,5 metros) de diámetro, en el Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California , Berkeley, en agosto de 1939, el acelerador más poderoso del mundo en ese momento. Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan (derecha) lo utilizaron para descubrir plutonio , neptunio y muchos otros elementos e isótopos transuránicos, por los que recibieron el Premio Nobel de Química de 1951 .

Artículo principal: Ciclotrón

Los primeros aceleradores circulares operativos fueron los ciclotrones , inventados en 1929 por Ernest Lawrence en la Universidad de California, Berkeley . Los ciclotrones tienen un solo par de placas huecas en forma de "D" para acelerar las partículas y un solo imán dipolo grande para doblar su trayectoria en una órbita circular. Es una propiedad característica de las partículas cargadas en un campo magnético uniforme y constante B que orbitan con un período constante, a una frecuencia llamada frecuencia de ciclotrón , siempre que su velocidad sea pequeña en comparación con la velocidad de la luz c. Esto significa que la aceleración D de un ciclotrón puede ser impulsada a una frecuencia constante por una fuente de energía de aceleración de radiofrecuencia (RF), ya que el rayo gira en espiral hacia afuera continuamente. Las partículas se inyectan en el centro del imán y se extraen en el borde exterior a su máxima energía.

Los ciclotrones alcanzan un límite de energía debido a los efectos relativistas mediante los cuales las partículas efectivamente se vuelven más masivas, de modo que su frecuencia de ciclotrones se desincroniza con la RF acelerada. Por lo tanto, los ciclotrones simples pueden acelerar los protones solo a una energía de alrededor de 15 millones de electronvoltios (15 MeV, correspondiente a una velocidad de aproximadamente el 10% de c ), porque los protones se desfasan con el campo eléctrico impulsor. Si se acelera más, el rayo continuará girando en espiral hacia afuera a un radio más grande, pero las partículas ya no ganarán suficiente velocidad para completar el círculo más grande en el paso de la aceleración de RF. Para adaptarse a los efectos relativistas, el campo magnético debe aumentarse a radios más altos, como se hace en los ciclotrones isócronos.. Un ejemplo de ciclotrón isócrono es el ciclotrón de anillo PSI en Suiza, que proporciona protones a la energía de 590 MeV, que corresponde aproximadamente al 80% de la velocidad de la luz. La ventaja de un ciclotrón de este tipo es la máxima corriente de protones extraídos que se puede alcanzar, que actualmente es de 2,2 mA. La energía y la corriente corresponden a una potencia de haz de 1,3 MW, que es la más alta de cualquier acelerador existente en la actualidad.

Sincrociclotrones y ciclotrones isócronos

Artículos principales: Sincrociclotrón y Ciclotrón isócrono

Un imán en el sincrociclotrón del centro de terapia de protones de Orsay

Un ciclotrón clásico se puede modificar para aumentar su límite de energía. El primer enfoque históricamente fue el sincrociclotrón , que acelera las partículas en racimos. Utiliza un campo magnético constante , pero reduce la frecuencia del campo de aceleración para mantener el paso de las partículas a medida que avanzan en espiral, igualando su frecuencia de resonancia ciclotrónica dependiente de la masa . Este enfoque adolece de una intensidad media baja del haz debido al agrupamiento y, nuevamente, de la necesidad de un imán enorme de radio grande y campo constante sobre la órbita más grande que exige la alta energía.${\displaystyle B}$

El segundo enfoque al problema de la aceleración de partículas relativistas es el ciclotrón isócrono . En tal estructura, la frecuencia del campo de aceleración (y la frecuencia de resonancia del ciclotrón) se mantiene constante para todas las energías al dar forma a los polos del imán para aumentar el campo magnético con el radio. Por lo tanto, todas las partículas se aceleran en isócronaintervalos de tiempo. Las partículas de mayor energía viajan una distancia más corta en cada órbita de lo que lo harían en un ciclotrón clásico, permaneciendo así en fase con el campo acelerado. La ventaja del ciclotrón isócrono es que puede entregar haces continuos de mayor intensidad promedio, lo que es útil para algunas aplicaciones. Las principales desventajas son el tamaño y el costo del imán grande necesario, y la dificultad para lograr los altos valores de campo magnético requeridos en el borde exterior de la estructura.

No se han construido sincrotrones desde que se desarrolló el ciclotrón isócrono.

Sincrotrones

Artículo principal: Sincrotrón

Foto aérea del Tevatron en Fermilab , que se asemeja a un ocho. El acelerador principal es el anillo de arriba; el de abajo (aproximadamente la mitad del diámetro, a pesar de las apariencias) es para aceleración preliminar, enfriamiento y almacenamiento del haz, etc.

Para alcanzar energías aún más altas, con masa relativista acercándose o superando la masa en reposo de las partículas (para protones, miles de millones de electronvoltios o GeV ), es necesario utilizar un sincrotrón . Este es un acelerador en el que las partículas se aceleran en un anillo de radio constante. Una ventaja inmediata sobre los ciclotrones es que el campo magnético solo necesita estar presente en la región real de las órbitas de las partículas, que es mucho más estrecha que la del anillo. (El ciclotrón más grande construido en los EE. UU. Tenía un polo magnético de 4,7 m (184 pulgadas) de diámetro, mientras que el diámetro de los sincrotrones como el LEP y el LHCestá a casi 10 km. La apertura de los dos haces del LHC es del orden de un centímetro). El LHC contiene 16 cavidades de RF, 1232 imanes dipolo superconductores para la dirección del haz y 24 cuadrupolos para el enfoque del haz. ^[21] Incluso con este tamaño, el LHC está limitado por su capacidad para dirigir las partículas sin que se vayan a la deriva. Se teoriza que este límite ocurre a 14TeV. ^[22]

Sin embargo, dado que el momento de la partícula aumenta durante la aceleración, es necesario aumentar el campo magnético B en proporción para mantener una curvatura constante de la órbita. En consecuencia, los sincrotrones no pueden acelerar las partículas de forma continua, como pueden hacerlo los ciclotrones, pero deben operar cíclicamente, suministrando partículas en racimos, que se entregan a un objetivo o un haz externo en "derrames" de haces típicamente cada pocos segundos.

Dado que los sincrotrones de alta energía realizan la mayor parte de su trabajo en partículas que ya viajan casi a la velocidad de la luz c , el tiempo para completar una órbita del anillo es casi constante, al igual que la frecuencia de los resonadores de cavidad de RF utilizados para impulsar la aceleración. .

En los sincrotrones modernos, la apertura del haz es pequeña y el campo magnético no cubre toda el área de la órbita de las partículas como lo hace en un ciclotrón, por lo que se pueden separar varias funciones necesarias. En lugar de un imán enorme, uno tiene una línea de cientos de imanes de curvatura, que encierran (o encierran) tuberías de conexión al vacío. El diseño de sincrotrones se revolucionó a principios de la década de 1950 con el descubrimiento del concepto de enfoque fuerte . ^{[23] [24] [25]} El enfoque del haz se maneja de forma independiente mediante imanes cuadrupolos especializados , mientras que la aceleración en sí se logra en secciones de RF separadas, bastante similar a los aceleradores lineales cortos. ^[26]Además, no es necesario que las máquinas cíclicas sean circulares, sino que la tubería de la viga puede tener secciones rectas entre los imanes donde las vigas pueden colisionar, enfriarse, etc. Esto se ha convertido en un tema completamente separado, llamado "física de viga" o "haz de luz". óptica". ^[27]

Sincrotrones modernos más complejos como el Tevatron, LEP y LHC pueden entregar los racimos de partículas en anillos de almacenamiento de imanes con un campo magnético constante, donde pueden continuar orbitando durante largos períodos para experimentación o mayor aceleración. Las máquinas de mayor energía como el Tevatron y el LHC son en realidad complejos de aceleradores, con una cascada de elementos especializados en serie, que incluyen aceleradores lineales para la creación inicial del haz, uno o más sincrotrones de baja energía para alcanzar la energía intermedia, anillos de almacenamiento donde los haces pueden ser acumulado o "enfriado" (reduciendo la apertura del imán requerida y permitiendo un enfoque más estrecho; ver enfriamiento del haz ), y un último anillo grande para la aceleración final y la experimentación.

Segmento de un sincrotrón de electrones en DESY

Sincrotrones de electrones

Ver también: Fuente de luz de sincrotrón

Los aceleradores de electrones circulares cayeron algo en desgracia para la física de partículas en la época en que se construyó el acelerador de partículas lineal de SLAC , porque sus pérdidas de sincrotrón se consideraban económicamente prohibitivas y porque la intensidad de su haz era menor que para las máquinas lineales no pulsadas. El Sincrotrón de Electrones de Cornell , construido a bajo costo a fines de la década de 1970, fue el primero de una serie de aceleradores de electrones circulares de alta energía construidos para la física de partículas fundamentales, siendo el último LEP , construido en el CERN, que se utilizó desde 1989 hasta 2000.

Se ha construido una gran cantidad de sincrotrones de electrones en las últimas dos décadas, como parte de fuentes de luz de sincrotrón que emiten luz ultravioleta y rayos X; vea abajo.

Anillos de almacenamiento

Artículo principal: anillo de almacenamiento

Para algunas aplicaciones, es útil almacenar haces de partículas de alta energía durante algún tiempo (con la tecnología moderna de alto vacío , hasta muchas horas) sin más aceleración. Esto es especialmente cierto para los aceleradores de haz en colisión , en los que dos haces que se mueven en direcciones opuestas chocan entre sí, con una gran ganancia de energía de colisión efectiva . Debido a que ocurren relativamente pocas colisiones en cada paso a través del punto de intersección de los dos haces, es costumbre acelerar primero los haces a la energía deseada y luego almacenarlos en anillos de almacenamiento, que son esencialmente anillos de imanes de sincrotrón, sin RF significativa. poder de aceleración.

Fuentes de radiación de sincrotrón

Artículo principal: fuentes de luz de sincrotrón

Algunos aceleradores circulares se han construido para generar deliberadamente radiación (llamada luz de sincrotrón ) como rayos X también llamados radiación de sincrotrón, por ejemplo, la fuente de luz de diamante que se ha construido en el laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra o la fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne. en Illinois , Estados Unidos. Los rayos X de alta energía son útiles para la espectroscopia de rayos X de proteínas o la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS), por ejemplo.

La radiación de sincrotrón es emitida con más fuerza por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones . La radiación de sincrotrón permite obtener mejores imágenes según lo investigado y desarrollado en SPEAR de SLAC .

Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo

Artículo principal: Acelerador de gradiente alterno de campo fijo

Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo (FFA) , en los que un campo magnético que está fijo en el tiempo, pero con una variación radial para lograr un enfoque fuerte , permite que el haz se acelere con una alta tasa de repetición pero en una extensión radial mucho menor que en el caso del ciclotrón. Los FFA isócronos, como los ciclotrones isócronos, logran un funcionamiento continuo del haz, pero sin la necesidad de un enorme imán de flexión dipolo que cubra todo el radio de las órbitas. Se tratan algunas novedades en materia de ácidos grasos libres. ^[28]

Historia

Artículo principal: Lista de aceleradores en física de partículas.

El primer ciclotrón de Ernest Lawrence tenía apenas 4 pulgadas (100 mm) de diámetro. Más tarde, en 1939, construyó una máquina con una cara de polo de 60 pulgadas de diámetro y planeó una con un diámetro de 184 pulgadas en 1942, que, sin embargo, fue asumida para trabajos relacionados con la Segunda Guerra Mundial relacionados con la separación de isótopos de uranio ; después de la guerra continuó en servicio para la investigación y la medicina durante muchos años.

El primer sincrotrón de protones grande fue el Cosmotron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , que aceleró los protones a aproximadamente 3  GeV (1953-1968). El Bevatron en Berkeley, terminado en 1954, fue diseñado específicamente para acelerar los protones a la energía suficiente para crear antiprotones y verificar la simetría de la naturaleza entre partículas y antipartículas , que entonces solo se teorizó. El Sincrotrón de gradiente alterno (AGS) en Brookhaven (1960–) fue el primer sincrotrón grande con gradiente alterno, " enfoque fuerte"imanes, que redujeron en gran medida la apertura requerida del rayo y, en consecuencia, el tamaño y el costo de los imanes de flexión. El Sincrotrón de Protones , construido en el CERN (1959-), fue el primer acelerador de partículas europeo importante y, en general, similar al AGS.

El Acelerador Lineal de Stanford , SLAC, entró en funcionamiento en 1966, acelerando electrones a 30 GeV en una guía de ondas de 3 km de largo, enterrada en un túnel y alimentada por cientos de grandes klistrones . Sigue siendo el acelerador lineal más grande que existe y se ha actualizado con la adición de anillos de almacenamiento y una instalación de colisionador de electrones y positrones. También es una fuente de fotones sincrotrón de rayos X y UV.

El Fermilab Tevatron tiene un anillo con una trayectoria de haz de 4 millas (6,4 km). Ha recibido varias actualizaciones y ha funcionado como un colisionador de protones y antiprotones hasta que se cerró debido a recortes presupuestarios el 30 de septiembre de 2011. El acelerador circular más grande jamás construido fue el sincrotrón LEP en el CERN con una circunferencia de 26,6 kilómetros, que fue un colisionador de electrones / positrones . Logró una energía de 209 GeV antes de ser desmantelado en 2000 para que el túnel pudiera usarse para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El LHC es un colisionador de protones, y actualmente el acelerador más grande y de mayor energía del mundo, logrando 6.5 TeV de energía por haz (13 TeV en total).

El superconductor Super Collider (SSC) abortado en Texas habría tenido una circunferencia de 87 km. La construcción se inició en 1991, pero se abandonó en 1993. Los aceleradores circulares muy grandes se construyen invariablemente en túneles de unos pocos metros de ancho para minimizar la interrupción y el costo de construir una estructura de este tipo en la superficie, y para proporcionar protección contra las intensas radiaciones secundarias que se producen. que son extremadamente penetrantes a altas energías.

Los aceleradores actuales, como la fuente de neutrones por espalación , incorporan cromódulos superconductores . El Colisionador de Iones Pesados ​​Relativista y el Gran Colisionador de Hadrones también utilizan imanes superconductores y resonadores de cavidad de RF para acelerar las partículas.

Objetivos

La salida de un acelerador de partículas generalmente se puede dirigir hacia múltiples líneas de experimentos, una en un momento dado, por medio de un electroimán desviado . Esto hace posible operar múltiples experimentos sin necesidad de mover cosas o apagar todo el rayo del acelerador. A excepción de las fuentes de radiación de sincrotrón, el propósito de un acelerador es generar partículas de alta energía para interactuar con la materia.

Este suele ser un objetivo fijo, como el revestimiento de fósforo en la parte posterior de la pantalla en el caso de un tubo de televisión; un trozo de uranio en un acelerador diseñado como fuente de neutrones; o un objetivo de tungsteno para un generador de rayos X. En un linac, el objetivo simplemente se ajusta al extremo del acelerador. La pista de partículas en un ciclotrón es una espiral hacia afuera desde el centro de la máquina circular, por lo que las partículas aceleradas emergen de un punto fijo como para un acelerador lineal.

Para los sincrotrones, la situación es más compleja. Las partículas se aceleran a la energía deseada. Luego, se usa un imán dipolo de acción rápida para cambiar las partículas fuera del tubo sincrotrón circular y hacia el objetivo.

Una variación comúnmente utilizada para la investigación de la física de partículas es un colisionador , también llamado colisionador de anillo de almacenamiento . Se construyen dos sincrotrones circulares muy próximos, generalmente uno encima del otro y utilizando los mismos imanes (que luego tienen un diseño más complicado para acomodar ambos tubos de haz). Los racimos de partículas viajan en direcciones opuestas alrededor de los dos aceleradores y chocan en las intersecciones entre ellos. Esto puede incrementar enormemente la energía; mientras que en un experimento de objetivo fijo la energía disponible para producir nuevas partículas es proporcional a la raíz cuadrada de la energía del haz, en un colisionador la energía disponible es lineal.

Detectores

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Energías superiores

Un gráfico de Livingston que muestra el progreso en la energía de colisión hasta 2010. El LHC es la energía de colisión más grande hasta la fecha, pero también representa la primera ruptura en la tendencia log-lineal .

En la actualidad, los aceleradores de mayor energía son todos colisionadores circulares, pero tanto los aceleradores de hadrones como los aceleradores de electrones están llegando a sus límites. Los aceleradores cíclicos de iones y hadrones de mayor energía requerirán túneles de aceleradores de mayor tamaño físico debido a la mayor rigidez del haz .

En el caso de los aceleradores de electrones cíclicos, las pérdidas de radiación de sincrotrón establecen un límite en el radio de curvatura práctico y la próxima generación probablemente serán aceleradores lineales 10 veces la longitud actual. Un ejemplo de tal acelerador de electrones de próxima generación es el Colisionador Lineal Internacional propuesto de 40 km de largo .

Se cree que la aceleración del campo de despertar del plasma en forma de "postquemadores" de haz de electrones y pulsadores láser autónomos podría proporcionar aumentos drásticos en la eficiencia con respecto a los aceleradores de RF en dos o tres décadas. En los aceleradores de wakefield de plasma, la cavidad del haz se llena con plasma (en lugar de vacío). Un pulso corto de electrones o luz láser constituye o precede inmediatamente a las partículas que se aceleran. El pulso interrumpe el plasma, lo que hace que las partículas cargadas en el plasma se integren y se muevan hacia la parte posterior del grupo de partículas que se están acelerando. Este proceso transfiere energía al grupo de partículas, acelerándolo aún más, y continúa mientras el pulso sea coherente. ^[29]

Se han logrado gradientes de energía de hasta 200 GeV / m en distancias de escala milimétrica utilizando pulsadores láser ^[30] y se están produciendo gradientes cercanos a 1 GeV / m en la escala de varios centímetros con sistemas de haz de electrones, en contraste con un límite de aproximadamente 0,1 GeV / m solo para la aceleración de radiofrecuencia. Aceleradores de electrones existentes como SLACpodría utilizar posquemadores de haz de electrones para aumentar en gran medida la energía de sus haces de partículas, a costa de la intensidad del haz. Los sistemas de electrones en general pueden proporcionar haces confiables y estrechamente colimados; Los sistemas láser pueden ofrecer más potencia y compacidad. Por lo tanto, los aceleradores de wakefield de plasma podrían usarse, si se pueden resolver los problemas técnicos, tanto para aumentar la energía máxima de los aceleradores más grandes como para llevar altas energías a los laboratorios universitarios y centros médicos.

Se han logrado gradientes superiores a 0,25 GeV / m mediante un acelerador láser dieléctrico, ^[31] que puede presentar otro enfoque viable para construir aceleradores compactos de alta energía. ^[32] Utilizando pulsos de láser de duración de femtosegundos, se registró un gradiente de aceleración de electrones de 0,69 Gev / m para aceleradores de láser dieléctricos. ^[33] Se anticipan gradientes más altos del orden de 1 a 6 GeV / m después de optimizaciones adicionales. ^[34]

Preocupaciones sobre la producción de agujeros negros y la seguridad pública

Ver también: Seguridad de los experimentos de colisión de partículas de alta energía

En el futuro, puede surgir la posibilidad de que se produzca un agujero negro en los aceleradores de mayor energía si ciertas predicciones de la teoría de supercuerdas son precisas. ^{[35] [36]} Esta y otras posibilidades han llevado a preocupaciones de seguridad pública que han sido ampliamente reportadas en relación con el LHC , que comenzó a operar en 2008. Se ha evaluado que los diversos escenarios peligrosos posibles presentan "ningún peligro concebible" en el última evaluación de riesgos elaborada por el Grupo de evaluación de seguridad del LHC. ^[37] Si se producen agujeros negros, teóricamente se predice que estos pequeños agujeros negros deberían evaporarse extremadamente rápido a través de la radiación Bekenstein-Hawking., pero que aún no está confirmado experimentalmente. Si los colisionadores pueden producir agujeros negros, los rayos cósmicos (y particularmente los rayos cósmicos de energía ultra alta , UHECR) deben haberlos estado produciendo durante eones, pero aún no han dañado a nadie. ^[38]Se ha argumentado que para conservar energía e impulso, cualquier agujero negro creado en una colisión entre un UHECR y materia local necesariamente se produciría moviéndose a una velocidad relativista con respecto a la Tierra, y debería escapar al espacio, según su tasa de acreción y crecimiento. debería ser muy lento, mientras que los agujeros negros producidos en colisionadores (con componentes de igual masa) tendrían alguna posibilidad de tener una velocidad menor que la velocidad de escape de la Tierra, 11,2 km por segundo, y serían susceptibles de captura y crecimiento posterior. Sin embargo, incluso en tales escenarios, las colisiones de UHECR con enanas blancas y estrellas de neutrones conducirían a su rápida destrucción, pero se observa que estos cuerpos son objetos astronómicos comunes. Por lo tanto, si se deben producir microagujeros negros estables,deben crecer demasiado lentamente para causar efectos macroscópicos notables dentro de la vida natural del sistema solar.^[37]

Operador de acelerador

El uso de tecnologías no estándar como la superconductividad, la criogenia y la radiofrecuencia plantean desafíos para el funcionamiento seguro de las instalaciones de aceleradores. ^{[39] [40]} Un operador de acelerador controla el funcionamiento de un acelerador de partículas utilizado en experimentos de investigación, revisa un programa de experimentos para determinar los parámetros del experimento especificados por un experimentador ( físico ), ajusta los parámetros del haz de partículas como la relación de aspecto , la intensidad de la corriente y posicionarse en el objetivo, se comunica con y ayuda al personal de mantenimiento del acelerador para garantizar la preparación de los sistemas de soporte, como vacío , fuentes de alimentación magnéticas y controles,Refrigeración por agua de baja conductividad (LCW) y fuentes de alimentación y controles de radiofrecuencia . Además, el operador del acelerador mantiene un registro de los eventos relacionados con el acelerador.

Ver también

• Acelerador de partículas lineal
• Colisionador lineal internacional
• Colisionador circular futuro
• Colisionador lineal compacto
• Super colisionador superconductor
• Física del acelerador
• Atom smasher (desambiguación)
• Acelerador de pared dieléctrico
• Transmutación nuclear
• Lista de aceleradores en física de partículas
• Rolf Widerøe

Referencias

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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Aceleradores de partículas .

• ¿Para qué se utilizan los aceleradores de partículas?
• Stanley Humphries (1999) Principios de aceleración de partículas cargadas
• Aceleradores de partículas en todo el mundo
• Wolfgang KH Panofsky: La evolución de los aceleradores y colisionadores de partículas , ( PDF ), Stanford, 1997
• PJ Bryant, Breve historia y revisión de los aceleradores (PDF), CERN , 1994.
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• Fred's World of Science
• Bibliografía anotada para aceleradores de partículas de la Biblioteca digital de Alsos para cuestiones nucleares Archivado el 7 de octubre de 2010 en Wayback Machine.
• Accelerators-for-Society.org , para conocer más sobre aplicaciones de aceleradores para Investigación y Desarrollo, energía y medio ambiente, salud y medicina, industria, caracterización de materiales.