Aceleradores de partículas

El círculo grande marca la situación del túnel del LEP, el gran colisionador de electrones-positrones del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), que estuvo en funcionamiento hasta finales de 2000. El túnel, que se encuentra a 100 m de profundidad y tiene una circunferencia de 27 km, albergará el gran colisionador de hadrones LHC.

Aceleradores de partículas, dispositivos empleados para acelerar partículas elementales e iones hasta altas energías. Son los instrumentos de mayor tamaño y más costosos utilizados en física. Todos tienen los mismos componentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde existe un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un sistema para aumentar la velocidad de las partículas.

Las partículas cargadas se aceleran mediante un campo electrostático. Por ejemplo, situando electrodos con una gran diferencia de potencial en los extremos de un tubo en el que se había hecho el vacío, los científicos británicos John D. Cockcroft y Ernest Walton consiguieron acelerar protones hasta 250.000 electronvoltios (eV). Otro acelerador electrostático es el acelerador Van de Graaff, desarrollado a principios de la década de 1930 por el físico estadounidense Robert Jemison van de Graaff. Este acelerador emplea el mismo principio que el generador de Van de Graaff, y establece un potencial entre dos electrodos transportando cargas mediante una cinta móvil. Los aceleradores Van de Graaff modernos aceleran partículas hasta energías de 15 MeV (un megaelectronvoltio, o MeV, equivale a un millón de eV).

2

ACELERADOR LINEAL

El acelerador lineal, también llamado “linac”, fue concebido a finales de la década de 1920. Utiliza tensiones alternas elevadas para impulsar partículas a lo largo de una línea recta. Las partículas atraviesan una serie de tubos metálicos huecos situados dentro de un cilindro en el que se ha hecho el vacío. La tensión alterna se sincroniza de forma que la partícula sea impulsada hacia delante cada vez que pasa por un hueco entre dos tubos metálicos. En teoría, pueden construirse aceleradores lineales de cualquier energía. El más grande del mundo, situado en la Universidad de Stanford (Estados Unidos), tiene una longitud de 3,2 km. Puede acelerar electrones hasta una energía de 50 GeV (un gigaelectronvoltio, o GeV, corresponde a mil millones de eV). El acelerador lineal de Stanford está diseñado para hacer colisionar dos haces de partículas acelerados de forma consecutiva por el linac y mantenidos temporalmente en anillos de almacenamiento (véase el apartado de este artículo “Colisionadores con anillo de almacenamiento”).

3

CICLOTRÓN

Ernest O. Lawrence

El físico estadounidense Ernest O. Lawrence fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1939 por el invento y desarrollo del ciclotrón, un dispositivo para acelerar partículas subatómicas.

El físico estadounidense Ernest O. Lawrence obtuvo el Premio Nobel de Física en 1939 por un avance en el diseño de aceleradores llevado a cabo a principios de la década de 1930. Lawrence desarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Es una especie de acelerador lineal arrollado en una espiral. En vez de tener muchos tubos, la máquina sólo tiene dos cámaras de vacío huecas, llamadas des, cuya forma es la de dos D mayúsculas opuestas entre sí (así: D). Un campo magnético producido por un potente electroimán hace que las partículas se muevan en una trayectoria curva. Las partículas cargadas se aceleran cada vez que atraviesan el hueco entre las des. A medida que las partículas acumulan energía, se mueven en espiral hacia el borde externo del acelerador, por donde acaban saliendo.

Ciclotrón y sincrotrón

En física se emplean aceleradores de partículas para estudiar la naturaleza de la materia. Estas enormes máquinas aceleran partículas cargadas (iones) mediante campos electromagnéticos en un tubo hueco en el que se ha hecho el vacío, y finalmente hacen colisionar cada ion con un blanco estacionario u otra partícula en movimiento. Los científicos analizan los resultados de las colisiones e intentan determinar las interacciones que rigen el mundo subatómico. (Generalmente, el punto de colisión está situado en una cámara de burbujas, un dispositivo que permite observar las trayectorias de partículas ionizantes como líneas de minúsculas burbujas en una cámara llena de líquido.) Las trayectorias de las partículas aceleradas pueden ser rectas, espirales o circulares. Tanto el ciclotrón como el sincrotrón utilizan un campo magnético para controlar las trayectorias de las partículas. Aunque hacer colisionar las partículas unas contra otras puede parecer inicialmente un método un tanto extraño para estudiarlas, los aceleradores de partículas han permitido a los científicos aprender más sobre el mundo subatómico que ningún otro dispositivo.

Cuando las partículas aceleradas en el ciclotrón alcanzan una velocidad próxima a la de la luz, su masa aumenta de modo apreciable, tal como predice la teoría de la relatividad. Esto hace que sea más difícil acelerarlas, y lleva a que los pulsos de aceleración en los huecos entre las des queden desfasados. En 1945, el físico soviético Vladímir Y. Veksler y el físico estadounidense Edwin M. McMillan sugirieron una solución a este problema. El aparato propuesto, el sincrociclotrón, se denomina a veces ciclotrón de frecuencia modulada. En este instrumento, el oscilador (generador de radiofrecuencias) que acelera las partículas alrededor de las des se ajusta automáticamente para mantenerse en fase con las partículas aceleradas; a medida que la masa de las partículas aumenta, la frecuencia de aceleración disminuye un poco para seguir su ritmo. Según aumenta la energía máxima de un sincrociclotrón, se incrementa su tamaño, porque las partículas tienen que tener más espacio donde moverse en espiral. El mayor sincrocinclotrón es el fasotrón de 6 metros del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, en Rusia; acelera los protones hasta más de 700 MeV y tiene unos imanes que pesan unas 7.000 toneladas.

El ciclotrón más potente del mundo, el K1200, empezó a funcionar en 1988 en el National Superconducting Cyclotron Laboratory, de la Universidad Estatal de Michigan (Estados Unidos). Este aparato es capaz de acelerar núcleos hasta una energía cercana a los 8 gigaelectronvoltios.

4

BETATRÓN

Cuando se aceleran electrones, éstos experimentan un gran aumento de masa a energías relativamente bajas. Un electrón con una energía de 1 MeV tiene una masa tres veces mayor que un electrón en reposo. No es posible adaptar los sincrociclotrones a un aumento de masa tan grande. Por eso se utiliza otro tipo de acelerador cíclico, el betatrón, para acelerar electrones. El betatrón está formado por una cámara toroidal en la que se ha hecho el vacío. La cámara está situada entre los polos de un electroimán. Los electrones se mantienen en una trayectoria circular mediante un campo magnético denominado “campo de guía”. El electroimán es alimentado por una corriente alterna, y la fuerza electromotriz inducida por la variación del flujo magnético a lo largo de la órbita circular acelera los electrones. Durante el funcionamiento se modifican tanto el campo de guía como el flujo magnético para mantener constante el radio de la órbita de los electrones.

5

SINCROTRÓN

Acelerador LEP

El acelerador LEP del CERN estaba instalado en un túnel situado a varias decenas de metros bajo tierra, atravesando la frontera entre Suiza y Francia, en las proximidades de Ginebra. El esquema muestra el acelerador y las instalaciones de los experimentos DELPHI, L3, ALEPH y OPAL, unidas por grandes ascensores a las respectivas áreas experimentales de la superficie, donde están ubicados los instrumentos de recogida de datos. El LEP se cerró a finales de 2000, y su túnel de 27 km será ocupado por el gran colisionador de hadrones LHC (Large Hadron Collider).

El sincrotrón es el miembro más reciente y con mayor potencia de la familia de aceleradores. Está formado por un tubo en forma de un gran anillo, por el que se desplazan las partículas; el tubo está rodeado de imanes que hacen que éstas se muevan por el centro del tubo. Las partículas entran en el tubo después de haber sido aceleradas a varios millones de electronvoltios. En el anillo son aceleradas en uno o más puntos cada vez que describen un círculo completo alrededor del acelerador. Para mantener las partículas en una órbita constante, las intensidades de los imanes del anillo se aumentan a medida que las partículas ganan energía. En un par de segundos, las partículas alcanzan energías superiores a 1 GeV y son expulsadas, bien para su análisis experimental directo o para lanzarlas contra blancos que producen diversas partículas elementales al ser golpeados por las partículas aceleradas. El principio del sincrotrón puede aplicarse a protones o electrones, aunque la mayoría de los grandes aparatos son sincrotrones de protones.

Cosmotrón

Esta fotografía fue tomada durante la construcción del cosmotrón del Brookhaven National Laboratory (Estados Unidos). El imán en forma de anillo, utilizado para acelerar protones, tiene un diámetro interior de unos 18 m y pesa 2.000 t, aproximadamente.

El primer acelerador que superó la barrera de 1 GeV fue el cosmotrón, un sincrotrón de protones del Brookhaven National Laboratory (Estados Unidos). El cosmotrón alcanzó energías de 2,3 GeV en 1952 y posteriormente llegó a 3 gigaelectronvoltios. A mediados de la década de 1960 había dos sincrotrones en funcionamiento que aceleraban protones regularmente hasta energías de unos 40 GeV: el sincrotrón de gradiente alterno del Brookhaven National Laboratory y un aparato similar situado cerca de Ginebra (Suiza), controlado por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. A principios de la década de 1980, los dos mayores sincrotrones de protones eran un aparato de 500 GeV del CERN y otro similar del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situado cerca de Batavia, en Estados Unidos. La capacidad de este último, denominado tevatrón, aumentó hasta un límite potencial de 1 TeV (un teraelectronvoltio, o TeV, equivale a un billón de voltios) en 1983 al instalar imanes superconductores, lo que lo convirtió en el acelerador más potente del mundo. Desde 1989 hasta finales de 2000 estuvo funcionando en el CERN el gran colisionador de electrones-positrones (LEP, siglas en inglés), un anillo de 27 km que consiguió acelerar electrones y positrones hasta una energía de unos 200 gigaelectronvoltios.

6

COLISIONADORES CON ANILLO DE ALMACENAMIENTO

LHC en el túnel del LEP

Así será el acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) cuando finalice su construcción en el interior del túnel del LEP. En la imagen se muestran el tubo de aceleración propiamente dicho y, junto a él, los cables para la alimentación y los canales del sistema de enfriamiento criogénico. Los haces discurrirán en sentidos opuestos en dos tubos distintos (visibles en rojo en el interior del acelerador), para entrecruzarse en las zonas donde se colocarán los aparatos de detección.

Un colisionador es una combinación de un acelerador y uno o más anillos de almacenamiento, que produce colisiones más energéticas entre partículas que un acelerador convencional. Este último lanza partículas aceleradas contra un blanco estacionario, mientras que un colisionador acelera dos conjuntos de partículas que se inyectan en el anillo o anillos de almacenamiento y después se hacen chocar de frente. El colisionador LEP del CERN era un colisionador con anillo de almacenamiento. Como los electrones y los positrones tienen cargas eléctricas opuestas, se almacenaban en el mismo anillo circulando en sentidos contrarios. Cuando hay que hacer colisionar partículas con la misma carga, deben ser almacenadas en anillos separados. En 1987, el Fermilab convirtió el tevatrón en un colisionador con anillo de almacenamiento e instaló un detector de tres pisos de altura para observar y medir los productos de los choques frontales entre partículas.

Imán para el LHC

En la imagen se muestra un prototipo de un modelo de imán para el acelerador de partículas LHC. Se ven los dos canales magnéticos de aceleración, dentro de los cuales discurren, en sentidos opuestos, los dos haces de protones: las partículas serán aceleradas hasta energías de 7 TeV y chocarán finalmente en los puntos donde estarán situados los detectores. Para conseguir energías tan elevadas, los imanes tendrán que proporcionar un campo muy intenso, lo que será posible gracias a la utilización de material superconductor (visible alrededor del canal de aceleración).

Aunque los colisionadores que se utilizan en la actualidad son extremadamente potentes, los físicos necesitan aparatos aún más potentes para comprobar las teorías actuales. Por desgracia, la construcción de anillos mayores es muy cara. El túnel de 27 km del LEP albergará el gran colisionador de hadrones (LHC, siglas en inglés) del CERN, que está previsto que entre en funcionamiento en 2007. En 1988, Estados Unidos empezó a planificar la construcción del supercolisionador superconductor (SSC, siglas en inglés), cerca de Waxahatchie, en el estado de Texas. El SSC iba a ser un enorme colisionador con anillo de almacenamiento, de 87 km de longitud. Sin embargo, cuando se había completado una quinta parte del túnel, el Congreso de Estados Unidos decidió cancelar el proyecto del acelerador en octubre de 1993, debido a que los costes previstos superaban los 10.000 millones de dólares.

7

APLICACIONES

Trazas de partículas elementales

Estas trazas fueron producidas por partículas elementales en una cámara de burbujas del CERN, cerca de Ginebra. Examinando dichas trazas, se pueden determinar ciertas propiedades de las partículas que atravesaron la cámara. Por ejemplo, la carga de una partícula puede determinarse a partir del tipo de trayectoria seguida. La cámara de burbujas se coloca en un campo magnético, con lo que la trayectoria de las partículas positivas se curva en un sentido, la de las negativas en sentido opuesto y la de las neutras no se curva.

Los aceleradores se utilizan para explorar los núcleos atómicos, lo que permite a los científicos investigar sobre la estructura y el comportamiento de los átomos. Para estudiar las partículas fundamentales que componen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a 1 GeV. Se han identificado varios cientos de estas partículas. Los físicos de altas energías confían en descubrir reglas o principios que permitan una clasificación ordenada de las partículas subnucleares. Una clasificación así sería tan útil para la ciencia nuclear como lo es la tabla periódica de los elementos para la química. Los colisionadores permiten a los científicos generar violentas colisiones entre partículas que reproducen la situación del Universo en sus primeros microsegundos de existencia. Un estudio continuado de sus hallazgos debería aumentar el conocimiento científico de la estructura del Universo.