Aceleradores de partículas

Aceleradores de partículas, dispositivos empleados para acelerar partículas elementales e iones hasta altas energías. Son los instrumentos de mayor tamaño y más costosos empleados en física. Todos tienen los mismos constituyentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde hay un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un sistema para incrementar la velocidad de las partículas.
Las partículas cargadas se aceleran a través de un campo electrostático. Por ejemplo, situando electrodos con una gran discrepancia de potencial en los extremos de un tubo en el que se había suceso 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 comienzos de la década de 1930 por el físico americano 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 a través de 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, igualmente denominado “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 pasan una serie de tubos metálicos huecos ubicados dentro de un cilindro en el que se ha generado 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 cimentarse aceleradores lineales de cualquier energía. El más grande del mundo, ubicado 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 distanciado de este artículo “Colisionadores con anillo de almacenamiento”).
3 CICLOTRÓN
El físico americano Ernest O. Lawrence recibió el Premio Nobel de Física en 1939 por un avance en el diseño de aceleradores llevado a cabo a comienzos de la década de 1930. Lawrence desarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Es una especie de acelerador lineal arrollado en una tensión. En lugar de tener muchos tubos, la máquina apenas tiene dos cámaras de vacío huecas, denominadas 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 pasan el hueco entre las des. Conforme las partículas acumulan energía, se desplazan en tensión hacia el borde externo del acelerador, por donde acaban saliendo.
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 americano Edwin M. McMillan sugirieron una solución a este conflicto. 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 en torno a las des se ajusta automáticamente para conservarse en etapa con las partículas aceleradas; a medida que la masa de las partículas aumenta, la frecuencia de aceleración disminuye un poco para continuar su ritmo. Según aumenta la energía máxima de un sincrociclotrón, se aumenta su tamaño, porque las partículas tienen que tener más espacio donde moverse en tensión. 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, comenzó 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 incremento de masa a energías parcialmente 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 incremento de masa tan grande. De ahí que se emplea otro tipo de acelerador cíclico, el betatrón, para acelerar electrones. El betatrón está constituido por una cámara toroidal en la que se ha generado el vacío. La cámara está situada entre los polos de un electroimán. Los electrones se preservan en una trayectoria circular a través de 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. A lo largo del funcionamiento se modifican tanto el campo de guía como el flujo magnético para conservar perseverante el radio de la órbita de los electrones.
5 SINCROTRÓN
El sincrotrón es el miembro más actual 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 tras 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 en torno al acelerador. Para conservar las partículas en una órbita perseverante, 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 estudio experimental directo o para proyectarlas contra blancos que producen múltiples partículas elementales al ser golpeados por las partículas aceleradas. El principio del sincrotrón puede adaptarse a protones o electrones, aunque la mayoría de los grandes aparatos son sincrotrones de protones.
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 seguidamente 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 parecido ubicado cerca de Ginebra (Suiza), controlado por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. A comienzos de la década de 1980, los dos mayores sincrotrones de protones eran un aparato de 500 GeV del CERN y otro parecido del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), ubicado cerca de Batavia, en Estados Unidos. La aptitud de este último, denominado tevatrón, creció hasta un límite potencial de 1 TeV (un teraelectronvoltio, o TeV, equivale a un billón de voltios) en 1983 al poner imanes superconductores, lo que lo transformó 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 kilómetros que consiguió acelerar electrones y positrones hasta una energía de unos 200 gigaelectronvoltios.
6 COLISIONADORES CON ANILLO DE ALMACENAMIENTO
Un colisionador es una amalgama 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 aglomeraban en el mismo anillo circulando en sentidos contrarios. Cuando hay que hacer colisionar partículas con la misma carga, deben ser aglomeradas en anillos separados. En 1987, el Fermilab transformó 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.
A pesar de que los colisionadores que se usan en la actualidad son extremadamente potentes, los físicos precisan aparatos aún más potentes para evidenciar las teorías actuales. Por desgracia, la construcción de anillos mayores es muy cara. El túnel de 27 kilómetros del LEP alojará el gran colisionador de hadrones (LHC, siglas en inglés) del CERN, que está dispuesto que entre en funcionamiento en 2007. En 1988, Estados Unidos comenzó a traza un plan parar la construcción del supercolisionador superconductor (SSC, siglas en inglés), cerca de Waxahatchie, en el estado de Texas. El SSC iba a ser un grande colisionador con anillo de almacenamiento, de 87 kilómetros de longitud. Pero, en el momento en que se había completado una quinta parte del túnel, el Congreso de Estados Unidos sentenció declinar el proyecto del acelerador en octubre de 1993, por causa de que los costes dispuestos superaban los 10.000 millones de dólares.
7 APLICACIONES
Los aceleradores se usan para investigar los núcleos atómicos, lo que permite a los científicos inspeccionar sobre la estructura y la conducta de los átomos. Para estudiar las partículas elementales que constituyen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a 1 GeV. Se han citado varios cientos de estas partículas. Los físicos de altas energías confían en conocer normas o principios que permitan una clasificación dictaminada 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 hacer agitadas colisiones entre partículas que reproducen la situación del Universo en sus primeros microsegundos de existencia. Un estudio continuado de sus hallazgos debería incrementar el conocimiento científico de la estructura del Universo.