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 aceleradores poderosos 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 sincrotrón.para el estudio de la física de la materia condensada . Los aceleradores de partículas más pequeños se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la terapia de partículas con fines oncológicos , la producción de radioisótopos para diagnósticos médicos, los implantadores de iones para la fabricación de semiconductores y los espectrómetros de masas de aceleradores para mediciones de isótopos raros como el 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 electrostáticas 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 normal y corriente. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por el voltaje de aceleración , que está limitado por la ruptura eléctrica . Electrodinámica o electromagnéticalos aceleradores, por otro lado, usan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea inducción magnética o campos de radiofrecuencia oscilantes ) para acelerar 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 son considerados pioneros en este campo, al concebir y construir el primer acelerador lineal de partículas operativo , [4] el betatrón y el ciclotrón .
Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores solía 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]
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 existen 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, el 41 % para implantación de iones , el 9 % para investigación y procesamiento industrial, y el 4 % para investigación biomédica y de baja energía. [10]