Acelerador de partículas
Aparato de investigación para la física de partículas.
El Tevatron (círculo de fondo) , un acelerador de partículas de tipo colisionador sincrotrón del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), en Batavia, Illinois, EE.UU., cerró sus puertas en 2011 y hasta 2007 fue el acelerador de partículas más potente del mundo, acelerando protones a una energía de más de 1  TeV (teraelectronvoltio). Los haces de protones y antiprotones, que circulaban en direcciones opuestas en el anillo posterior, colisionaban en dos puntos de intersección inducidos magnéticamente.
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 propulsar partículas cargadas a velocidades y energías muy altas para contenerlas en haces bien definidos . [1] [2] Los aceleradores pequeños se utilizan para la investigación fundamental en física de partículas . 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 para fines oncológicos , la producción de radioisótopos para diagnósticos médicos, implantadores de iones para la fabricación de semiconductores y espectrómetros de masas de aceleradores para mediciones de isótopos raros como el radiocarbono .

Entre los grandes aceleradores se encuentran el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York y el mayor acelerador, el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra, Suiza, operado por el CERN . Se trata de 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 en el centro de masas de 13 TeV. Hay más de 30.000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo. [3] [4]

Existen dos clases básicas de aceleradores: electrostáticos y electrodinámicos (o electromagnéticos). [5] Los aceleradores de partículas electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar 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 en un viejo televisor común. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por el voltaje de aceleración , que está limitado por la ruptura eléctrica . Los aceleradores electrodinámicos o electromagnéticos , por otro lado, utilizan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea inducción magnética o campos de radiofrecuencia oscilantes ) para acelerar partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden pasar por 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 de este campo, habiendo concebido y construido el primer acelerador lineal de partículas operacional , [6] el betatrón , así como el ciclotrón . Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores eran generalmente los átomos de un trozo de materia, con el objetivo de crear colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, los aceleradores fueron comúnmente denominados colisionadores de átomos en el siglo XX. [7] 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. [8] [9] [10]

Usos

Líneas de luz que van desde el acelerador Van de Graaff a diversos 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 de Stanford (SLAC) en Menlo Park, California, el segundo acelerador lineal más potente 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. [11] 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 aproximadamente el 44% son para radioterapia , el 41% para implantación de iones , el 9% para procesamiento e investigación industrial y el 4% para investigación biomédica y otras investigaciones de baja energía. [12]

Física de partículas

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 a las energías más altas posibles. Estas típicamente 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 más simples disponibles involucran las interacciones de, primero, leptones entre sí, y segundo, de leptones con nucleones , que están compuestos de quarks y gluones. Para estudiar las colisiones de quarks entre sí, los científicos recurren a las colisiones de nucleones, que a alta energía pueden considerarse útilmente como interacciones esencialmente de 2 cuerpos de los quarks y gluones de los que están compuestos. Los físicos de partículas elementales tienden a utilizar máquinas que crean haces de electrones, positrones, protones y antiprotones , que interactúan 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 , en funcionamiento desde 2009. [13]

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 las que pudieron haber ocurrido en los primeros momentos del Big Bang . Estas investigaciones a menudo implican colisiones de núcleos pesados ​​(de átomos como el hierro o el oro  ) a energías de varios GeV por nucleón . El mayor acelerador de partículas de este tipo es el Colisionador de Iones Pesados ​​Relativistas (RHIC) del 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 en lugar de los ricos en neutrones que se producen en los reactores de fisión ; sin embargo, trabajos recientes han demostrado cómo producir 99 Mo , generalmente producido en reactores, acelerando isótopos de hidrógeno, [14] aunque este método aún requiere un reactor para producir tritio . Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE en el Laboratorio Nacional de Los Álamos .

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. Los 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-II 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. [15]

Los láseres de electrones libres (FEL) son una clase especial de fuentes de luz basadas en radiación de sincrotrón que proporciona pulsos más cortos con mayor coherencia temporal . Un FEL especialmente diseñado es la fuente más brillante de rayos X en el universo observable. [16] Los ejemplos más destacados son el LCLS en los 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 de pulsos abren nuevos métodos para la ciencia de attosegundos . [17] Además de los rayos X, los FEL se utilizan para emitir luz de terahercios , por ejemplo, FELIX en Nijmegen, Países Bajos, TELBE en Dresde, 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 y terapia de partículas

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 un voltaje de CC 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 Cockcroft-Walton o multiplicadores de voltaje , 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 con haces de electrones se utiliza comúnmente para la esterilización. Los haces de electrones son una tecnología de encendido y apagado que proporciona 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 mayor tasa de dosis, 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 X. [18]

Aceleradores de partículas electrostáticos

Un generador Cockcroft-Walton ( Philips , 1937), que se encuentra en el Museo de la Ciencia (Londres) .
Un acelerador Van de Graaff lineal de una sola etapa de 2 MeV de la década de 1960, aquí abierto para mantenimiento

Históricamente, los primeros aceleradores utilizaban una tecnología sencilla de un único voltaje estático alto para acelerar partículas cargadas. La partícula cargada se aceleraba 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 pasaba solo una vez por la diferencia de potencial, la energía de salida se limitaba al voltaje de aceleración de la máquina. Si bien este método sigue siendo extremadamente popular hoy en día, con los aceleradores electrostáticos superando en gran medida a cualquier otro tipo, son más adecuados para estudios de menor energía debido al límite de voltaje práctico de aproximadamente 1 MV para máquinas aisladas con 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 un acelerador en tándem, el potencial se utiliza dos veces para acelerar las partículas, invirtiendo la carga de las partículas mientras están dentro del terminal. Esto es posible mediante la aceleración de núcleos atómicos mediante el uso de aniones ( iones con carga negativa ) y luego pasando el haz a través de una lámina delgada para quitar los electrones de los aniones dentro de la terminal de alto voltaje, convirtiéndolos en cationes (iones con carga positiva), que se aceleran nuevamente cuando salen de la terminal.

Los dos tipos principales de aceleradores electrostáticos son el acelerador Cockcroft-Walton , que utiliza un multiplicador de voltaje de diodo-capacitador para producir alto voltaje, y el acelerador Van de Graaff , que utiliza una cinta de tela móvil para llevar la carga al electrodo de alto voltaje. Aunque los aceleradores electrostáticos aceleran 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 alto techo de voltaje impuesto por la descarga eléctrica, para acelerar 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 radiofrecuencia (RF) oscilantes. [19] Los aceleradores electrodinámicos pueden ser lineales , con partículas acelerando en línea recta, o circulares , utilizando campos magnéticos para doblar partículas en una órbita aproximadamente circular.

Aceleradores de inducción magnética

Los aceleradores de inducción magnética aceleran las partículas mediante la 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 puede configurarse para acelerar las partículas. Los aceleradores de inducción pueden ser lineales o circulares.

Aceleradores de inducción lineal

Los aceleradores de inducción lineal utilizan cavidades de inducción no resonantes cargadas con ferrita. Cada cavidad puede considerarse como dos grandes discos con 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 la energía al haz de partículas cargadas. [20]

El acelerador de inducción lineal fue inventado por Christofilos en la década de 1960. [21] 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 fusión por confinamiento magnético y como controladores para láseres de electrones libres .

Betatrones

El Betatrón 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 . [22] [23] Estas máquinas, como los sincrotrones, utilizan un imán de anillo en forma de rosquilla (ver más abajo) con un campo B que aumenta cíclicamente, pero aceleran las partículas por inducción a partir del campo magnético creciente, como si fueran el devanado secundario de un transformador, debido al flujo magnético cambiante a través de la órbita. [24] [25]

Para lograr un radio orbital constante y al mismo tiempo suministrar el campo eléctrico de aceleración adecuado, es necesario que el flujo magnético que une la órbita sea en cierta medida independiente del campo magnético en la órbita, curvando las partículas en una curva de radio constante. En la práctica, estas máquinas se han visto limitadas por las grandes pérdidas radiativas que sufren los electrones al moverse a casi la velocidad de la luz en una órbita de radio relativamente pequeño.

Aceleradores lineales

Componente acelerador lineal multicelda de radiofrecuencia superconductor moderno .

En un acelerador lineal de partículas (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un objetivo de interés en un extremo. A menudo se utilizan para proporcionar un impulso 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 mi) de longitud. El SLAC era originalmente un colisionador de electrones y positrones, pero ahora es un láser de electrones libres de rayos X.

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

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

Los aceleradores lineales también se utilizan ampliamente en medicina , para radioterapia y radiocirugía . Los aceleradores lineales de grado médico aceleran los electrones utilizando un klistrón y una compleja disposición de imanes de flexión que produce un haz de energía.6–30  MeV . Los electrones se pueden utilizar directamente o se pueden hacer colisionar con un objetivo para producir un haz de rayos X. La confiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido ha reemplazado 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 un círculo hasta que alcanzan la energía suficiente. La trayectoria de la partícula normalmente se dobla en un círculo utilizando 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 sufren una desventaja, ya 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 está acelerando 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 que acelera. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son aceleradores lineales. Sin embargo, ciertos aceleradores ( sincrotrones ) se construyen especialmente para producir luz de sincrotrón ( rayos X ).

Dado que la teoría especial de la relatividad exige 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 aumenta la energía, la velocidad de la partícula se acerca a la velocidad de la luz como límite, pero nunca la alcanza. Por lo tanto, los físicos de partículas no suelen pensar en términos de velocidad, sino en términos de energía o momento de una partícula , que normalmente se mide en electronvoltios (eV). Un principio importante para los aceleradores circulares, y para los haces de partículas en general, es que la curvatura de la trayectoria de la partícula es proporcional a la carga de la partícula y al campo magnético, pero inversamente proporcional al momento (normalmente relativista ) .

Ciclotrones

El ciclotrón de 60 pulgadas de Lawrence, 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 potente del mundo en ese momento. Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan (derecha) lo utilizaron para descubrir el plutonio , el neptunio y muchos otros elementos e isótopos transuránicos, por los que recibieron el Premio Nobel de Química en 1951.

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 dipolar 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 del ciclotrón , siempre que su velocidad sea pequeña en comparación con la velocidad de la luz c . Esto significa que las D de aceleración de un ciclotrón pueden ser impulsadas a una frecuencia constante por una fuente de energía de aceleración de RF, a medida que el haz se mueve en espiral hacia afuera continuamente. Las partículas se inyectan en el centro del imán y se extraen en el borde exterior a su energía máxima.

Los ciclotrones alcanzan un límite de energía debido a los efectos relativistas por los cuales las partículas efectivamente se vuelven más masivas, de modo que su frecuencia de ciclotrón se desincroniza con la RF acelerante. Por lo tanto, los ciclotrones simples pueden acelerar 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 aún más, el haz continuaría en espiral hacia afuera a un radio mayor, pero las partículas ya no ganarían suficiente velocidad para completar el círculo más grande al ritmo de la RF acelerante. Para acomodar los efectos relativistas, el campo magnético debe aumentarse a radios mayores como se hace en los ciclotrones isócronos . Un ejemplo de un 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 corriente máxima 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, la más alta de todos los aceleradores existentes en la actualidad.

Sincrociclotrones y ciclotrones isócronos

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

Un ciclotrón clásico puede modificarse para aumentar su límite de energía. El primer enfoque histórico fue el sincrociclotrón , que acelera las partículas en racimos. Utiliza un campo magnético constante , pero reduce la frecuencia del campo de aceleración para mantener las partículas sincronizadas a medida que se desplazan en espiral hacia afuera, coincidiendo con su frecuencia de resonancia del ciclotrón dependiente de la masa . Este enfoque sufre de una baja intensidad media del haz debido al agrupamiento y, nuevamente, de la necesidad de un imán enorme de gran radio y campo constante sobre la órbita más grande que demanda la alta energía. B {\estilo de visualización B}

El segundo enfoque para el problema de la aceleración de partículas relativistas es el ciclotrón isócrono . En una estructura de este tipo, la frecuencia del campo de aceleración (y la frecuencia de resonancia del ciclotrón) se mantiene constante para todas las energías mediante la configuración de los polos magnéticos de modo que aumente el campo magnético con el radio. De este modo, todas las partículas se aceleran en intervalos de tiempo isócronos . Las partículas de mayor energía recorren una distancia más corta en cada órbita que en un ciclotrón clásico, permaneciendo así en fase con el campo de aceleración. La ventaja del ciclotrón isócrono es que puede proporcionar haces continuos de mayor intensidad media, lo que resulta útil para algunas aplicaciones. Las principales desventajas son el tamaño y el coste del gran imán necesario, y la dificultad para conseguir los altos valores de campo magnético requeridos en el borde exterior de la estructura.

Desde que se desarrolló el ciclotrón isócrono no se han construido sincrociclotrones.

Sincrotrones

Fotografía aérea de los anillos del Tevatron (anillo de fondo) y del inyector principal (anillo de primer plano que en realidad no es circular) en el Fermilab . El anillo del Tevatron también contiene el anillo principal y una sección del mismo todavía se utiliza para experimentos posteriores. El inyector principal que se encuentra debajo (aproximadamente la mitad del diámetro del Tevatron) se utiliza para la aceleración preliminar, el enfriamiento y el almacenamiento del haz, etc.

Para alcanzar energías aún más altas, con masa relativista que se acerca o supera la masa en reposo de las partículas (para los protones, miles de millones de electronvoltios o GeV ), es necesario utilizar un sincrotrón . Se trata de 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 sólo 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 184 pulgadas de diámetro (4,7 m), mientras que el diámetro de los sincrotrones como el LEP y el LHC es de 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 dipolares superconductores para la dirección del haz y 24 cuadrupolos para el enfoque del haz. [26] Incluso a este tamaño, el LHC está limitado por su capacidad de dirigir las partículas sin que se desvíen. Se cree que este límite se da a 14 TeV. [27]

Sin embargo, como el momento de la partícula aumenta durante la aceleración, es necesario aumentar el campo magnético B en proporción para mantener constante la curvatura de la órbita. En consecuencia, los sincrotrones no pueden acelerar partículas de forma continua, como pueden hacerlo los ciclotrones, sino que deben funcionar de forma cíclica, suministrando partículas en racimos, que se entregan a un objetivo o a un haz externo en "desbordamientos" de haz, normalmente cada pocos segundos.

Dado que los sincrotrones de alta energía realizan la mayor parte de su trabajo en partículas que ya viajan a casi 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 la partícula como lo hace en un ciclotrón, por lo que se pueden separar varias funciones necesarias. En lugar de un imán enorme, se tiene una línea de cientos de imanes de flexión, que encierran (o están encerrados por) tubos de conexión de vacío. El diseño de los sincrotrones se revolucionó a principios de la década de 1950 con el descubrimiento del concepto de enfoque fuerte . [28] [29] [30] 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 similares a los aceleradores lineales cortos. [31] Además, no hay necesidad de que las máquinas cíclicas sean circulares, sino que el tubo del haz puede tener secciones rectas entre los imanes donde los haces pueden colisionar, enfriarse, etc. Esto se ha convertido en un tema completamente separado, llamado "física de haces" u "óptica de haces". [32]

Los sincrotrones modernos más complejos, como el Tevatron, el LEP y el LHC, pueden entregar los haces de partículas a anillos de almacenamiento de imanes con un campo magnético constante, donde pueden continuar orbitando durante largos períodos para experimentación o aceleración adicional. Las máquinas de mayor energía, como el Tevatron y el LHC, son en realidad complejos aceleradores, con una cascada de elementos especializados en serie, incluidos 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 se pueden acumular o "enfriar" (reduciendo la apertura del imán requerida y permitiendo un enfoque más preciso; ver enfriamiento del haz ), y un último anillo grande para la aceleración final y la experimentación.

Segmento de un sincrotrón electrónico en DESY
Sincrotrones de electrones

Los aceleradores de electrones circulares cayeron en desuso en la física de partículas en la época en que se construyó el acelerador de partículas lineal del SLAC, porque sus pérdidas de sincrotrón se consideraban prohibitivas desde el punto de vista económico y porque la intensidad de su haz era menor que la de las máquinas lineales sin pulsos. El Sincrotrón de Electrones de Cornell , construido a bajo coste a finales de los años 1970, fue el primero de una serie de aceleradores de electrones circulares de alta energía construidos para la física fundamental de partículas; el último fue el LEP , construido en el CERN, que se utilizó desde 1989 hasta 2000.

En las últimas dos décadas se han construido un gran número de sincrotrones electrónicos, como parte de fuentes de luz de sincrotrón que emiten luz ultravioleta y rayos X; véase más abajo.

Fuentes de radiación de sincrotrón

Se han construido algunos aceleradores circulares para generar deliberadamente radiación (llamada luz de sincrotrón ) en forma de rayos X , también llamada radiación de sincrotrón, por ejemplo, la Fuente de Luz Diamante que se ha construido en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra o la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois , EE. UU. 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 mayor potencia por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones . La radiación de sincrotrón permite obtener mejores imágenes, como se ha investigado y desarrollado en el SPEAR del SLAC .

Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo

Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo (FFA) , en los que un campo magnético fijo en el tiempo, pero con una variación radial para lograr un enfoque fuerte , permite acelerar el haz con una alta tasa de repetición pero con una dispersión radial mucho menor que en el caso del ciclotrón. Los FFA isócronos, al igual que los ciclotrones isócronos, logran un funcionamiento continuo del haz, pero sin la necesidad de un enorme imán de flexión dipolar que cubra todo el radio de las órbitas. Algunos nuevos desarrollos en FFA se tratan en [33] .

Rodotrón

Diagrama de un rodotrón. El haz de electrones está en rojo. E es el cañón de electrones, L es una lente electrónica, C es la cavidad de radiofrecuencia y M es un imán de flexión.

Un rodotrón es un acelerador de electrones industrial propuesto por primera vez en 1987 por J. Pottier de la Agencia Francesa de Energía Atómica (CEA) [34] , fabricado por la empresa belga Ion Beam Applications . Acelera los electrones recirculándolos a través del diámetro de una cavidad de radiofrecuencia en forma de cilindro. Un rodotrón tiene un cañón de electrones, que emite un haz de electrones que es atraído por un pilar en el centro de la cavidad. El pilar tiene agujeros a través de los cuales pueden pasar los electrones. El haz de electrones pasa a través del pilar a través de uno de estos agujeros y luego viaja a través de un agujero en la pared de la cavidad, y se encuentra con un imán de flexión, el haz se dobla y se envía de regreso a la cavidad, a otro agujero en el pilar, los electrones luego pasan nuevamente a través del pilar y pasan a través de otra parte de la pared de la cavidad y dentro de otro imán de flexión, y así sucesivamente, aumentando gradualmente la energía del haz hasta que se le permite salir de la cavidad para su uso. El cilindro y el pilar pueden estar revestidos con cobre en el interior. [35] [36] [37]

Historia

El primer ciclotrón de Ernest Lawrence tenía apenas 100 mm de diámetro. Más tarde, en 1939, construyó una máquina con una cara polar de 152 cm de diámetro y planeó construir otra de 460 cm de diámetro en 1942, que, sin embargo, fue utilizada para trabajos relacionados con la Segunda Guerra Mundial relacionados con la separación de isótopos de uranio ; después de la guerra, siguió en servicio para la investigación y la medicina durante muchos años.

El primer gran sincrotrón de protones fue el Cosmotron en el Laboratorio Nacional de Brookhaven , que aceleraba protones a unos 3  GeV (1953-1968). El Bevatron en Berkeley, terminado en 1954, fue diseñado específicamente para acelerar protones a suficiente energía para crear antiprotones y verificar la simetría partícula-antipartícula de la naturaleza, entonces sólo teorizada. El Sincrotrón de Gradiente Alternado (AGS) en Brookhaven (1960–) fue el primer gran sincrotrón con gradiente alternado, imanes de " enfoque fuerte ", que redujeron en gran medida la apertura requerida del haz y, en consecuencia, el tamaño y el costo de los imanes de curvatura. El Sincrotrón de Protones , construido en el CERN (1959–), fue el primer gran acelerador de partículas europeo y en general similar al AGS.

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

El Tevatron de Fermilab tiene un anillo con una trayectoria de haz de 4 millas (6,4 km). Ha recibido varias mejoras y ha funcionado como un colisionador de protones y antiprotones hasta que fue cerrado 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 era un colisionador de electrones y positrones . Alcanzó 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, alcanzando una energía de 6,5 TeV por haz (13 TeV en total).

El Supercolisionador Superconductor (SSC) de Texas, que fue abortado , habría tenido una circunferencia de 87 km. La construcción se inició en 1991, pero se abandonó en 1993. Los aceleradores circulares de gran tamaño se construyen invariablemente en túneles de unos pocos metros de ancho para minimizar la perturbación y el coste 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 criomódulos superconductores . El colisionador de iones pesados ​​relativistas y el gran colisionador de hadrones también utilizan imanes superconductores y resonadores de cavidad de radiofrecuencia para acelerar partículas.

Objetivos

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

Normalmente se trata de un objetivo fijo, como el revestimiento de fósforo de 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 acelerador lineal, el objetivo simplemente se ajusta al extremo del acelerador. La trayectoria de partículas en un ciclotrón es una espiral que se extiende hacia afuera desde el centro de la máquina circular, por lo que las partículas aceleradas emergen de un punto fijo como en un acelerador lineal.

En el caso de los sincrotrones, la situación es más compleja. Las partículas se aceleran hasta alcanzar la energía deseada. A continuación, se utiliza un imán dipolar de acción rápida para sacar las partículas del tubo sincrotrón circular y dirigirlas hacia el objetivo.

Una variante que se utiliza habitualmente en la investigación de la física de partículas es el colisionador , también llamado colisionador de anillo de almacenamiento . Se construyen dos sincrotrones circulares muy próximos entre sí, normalmente uno encima del otro y utilizando los mismos imanes (que luego tienen un diseño más complicado para acomodar ambos tubos de haz). Grupos de partículas viajan en direcciones opuestas alrededor de los dos aceleradores y chocan en las intersecciones entre ellos. Esto puede aumentar enormemente la energía; mientras que en un experimento con un 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

Los detectores recogen pistas sobre las partículas, como su velocidad y su carga. Con ellas, los científicos pueden trabajar sobre ellas. El proceso de detección es muy complejo y requiere potentes electroimanes y aceleradores para generar suficiente información útil.

Energías superiores

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 límites. Los aceleradores cíclicos de iones y hadrones de mayor energía requerirán túneles de aceleración de mayor tamaño físico debido a la mayor rigidez del haz .

En el caso de los aceleradores de electrones cíclicos, el radio de curvatura práctico está limitado por las pérdidas de radiación de sincrotrón y la próxima generación probablemente estará formada por aceleradores lineales con una longitud diez veces superior a la actual. Un ejemplo de un acelerador de electrones de próxima generación de este tipo es el propuesto Colisionador Lineal Internacional de 40 km de longitud .

Se cree que la aceleración de plasma por wakefield en forma de "postquemadores" de haz de electrones y pulsadores láser independientes podría proporcionar aumentos espectaculares en la eficiencia con respecto a los aceleradores de RF dentro de dos o tres décadas. En los aceleradores de plasma por wakefield, la cavidad del haz se llena con un plasma (en lugar de vacío). Un pulso corto de electrones o luz láser constituye o precede inmediatamente a las partículas que se están acelerando. El pulso interrumpe el plasma, haciendo 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. [38]

Se han logrado gradientes de energía tan pronunciados como 200 GeV/m en distancias de escala milimétrica utilizando pulsadores láser [39] 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 para la aceleración de radiofrecuencia únicamente. Los aceleradores de electrones existentes, como SLAC, podrían utilizar postcombustión 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 plasma de wakefield 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 [40] , lo que puede presentar otro enfoque viable para construir aceleradores compactos de alta energía. [41] Utilizando pulsos láser de duración de femtosegundos, se registró un gradiente de aceleración de electrones de 0,69 GeV/m para aceleradores láser dieléctricos. [42] Se registraron gradientes superiores del orden deSe prevén entre 1 y 6 GeV/m después de optimizaciones adicionales. [43]

Conceptos avanzados de aceleradores

Conceptos avanzados de aceleradores abarca métodos de aceleración de haces con gradientes que van más allá del estado del arte en instalaciones operativas. Esto incluye métodos de diagnóstico, tecnología de sincronización, necesidades especiales para inyectores, adaptación de haces, dinámica de haces y desarrollo de simulaciones adecuadas. Se están realizando talleres dedicados a este tema en los EE. UU. (ubicaciones alternas) y en Europa, principalmente en Isola d' Elba . La serie de talleres de conceptos avanzados de aceleradores, celebrada en los EE. UU., [44] comenzó como una serie internacional en 1982. [45] La serie de talleres europeos de conceptos avanzados de aceleradores comenzó en 2019. [46] Temas relacionados con los conceptos avanzados de aceleradores:

Según el problema de dispersión inversa , cualquier mecanismo por el cual una partícula produce radiación (donde la energía cinética de la partícula se transfiere al campo electromagnético ), se puede invertir de manera que el mismo mecanismo de radiación conduzca a la aceleración de la partícula (la energía del campo de radiación se transfiere a la energía cinética de la partícula). Lo opuesto también es cierto, cualquier mecanismo de aceleración se puede invertir para depositar la energía de la partícula en un campo de desaceleración, como en un sistema de recuperación de energía cinética . Esta es la idea que permite un acelerador lineal de recuperación de energía . Este principio, que también está detrás de los aceleradores de plasma o de wakefield dieléctrico, condujo a algunos otros desarrollos interesantes en conceptos avanzados de aceleradores:

La producción de agujeros negros y las preocupaciones sobre la seguridad pública

En el futuro, puede surgir la posibilidad de una producción de agujeros negros en los aceleradores de energía más alta si ciertas predicciones de la teoría de supercuerdas son precisas. [50] [51] 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. Los diversos escenarios peligrosos posibles han sido evaluados como que presentan "ningún peligro concebible" en la última evaluación de riesgos producida por el Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC. [52] Si se producen agujeros negros, se predice teóricamente que tales agujeros negros pequeños deberían evaporarse extremadamente rápido a través de la radiación de Bekenstein-Hawking , pero esto 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 haber estado produciéndolos durante eones, pero aún no han dañado a nadie. [53] Se ha argumentado que para conservar la energía y el momento, cualquier agujero negro creado en una colisión entre un UHECR y materia local necesariamente se produciría moviéndose a velocidad relativista con respecto a la Tierra, y debería escapar al espacio, ya que su tasa de acreción y crecimiento debería ser muy lenta, 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 estarían expuestos a ser capturados y crecer posteriormente. Sin embargo, incluso en tales escenarios, las colisiones de los 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 produjeran microagujeros negros estables, deberían crecer demasiado lentamente para causar efectos macroscópicos perceptibles durante la vida natural del sistema solar. [52]

Operador del acelerador

El uso de tecnologías avanzadas como la superconductividad, la criogenia y los amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia, así como la presencia de radiación ionizante, plantean desafíos para la operación segura de las instalaciones del acelerador. [54] [55] Un operador del acelerador controla el funcionamiento de un acelerador de partículas, ajusta parámetros operativos como la relación de aspecto , la intensidad de la corriente y la posición en el objetivo. Se comunican con el personal de mantenimiento del acelerador y lo ayudan para garantizar la preparación de los sistemas de soporte, como el vacío , los imanes , las fuentes de alimentación y controles magnéticos y de radiofrecuencia y los sistemas de refrigeración. Además, el operador del acelerador mantiene un registro de los eventos relacionados con el acelerador.

Véase también

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