Acelerador de partículasDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a navegación, búsqueda

Acelerador lineal de Van de Graaf de una sola etapa de 2 MeV.

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia.

Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares. En este artículo se describirán los tipos más comunes de aceleradores de partículas.

Aceleradores de bajas energías

Al contrario de la creencia popular, los aceleradores de partícIOKJ.,ulas no son aparatos exclusivos de laboratorios sofisticados, sino que también se encuentran muy presentes en la vida cotidiana de las personas, en forma de aceleradores de bajas energías. Ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los televisores o monitores de ordenador (los modelos antiguos que utilizan tubos de rayos catódicos, los cuales pueden considerarse aceleradores lineales de una sola etapa) o los aparatos de rayos X que pueden encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales. Estos aceleradores de bajas energías utilizan un único par de electrodos a los que se les aplica una diferencia de potencial, directamente, de algunos miles de voltios. En un aparato de rayos X se calienta un filamento metálico que se encuentra entre ambos electrodos mediante el paso de una corriente eléctrica, emitiendo de este modo electrones. Esos electrones son acelerados en el campo eléctrico generado entre ambos electrodos hasta alcanzar el electrodo que se utiliza como productor de rayos X, fabricado con un metal de alto Z (por ejemplo el tungsteno). También se utilizan aceleradores de partículas de bajas energías, llamados implantadores de iones, para la fabricación de circuitos integrados.

[editar] Aceleradores de altas energías

Líneas del haz de partículas que llevan desde el acelerador de Van de Graaf a varios experimentos, en la base del Campus Jussieu de París.

[editar] Aceleradores linealesArtículo principal: Acelerador lineal

Acelerador lineal de partículas en el Argonne National Laboratory.

Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversión de los campos eléctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas, y por eso, en muy altas energías, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partículas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje, o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estática transportada mediante cintas.

Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las partículas en los aceleradores circulares. El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Estos aceleradores utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.

Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.

Véase también: Abandono de la energía nuclear

[editar] Aceleradores circularesArtículo principal: Acelerador de partículas circular

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiación, a veces llamada luz sincrotrón. Esta radiación se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energía, principalmente en estudios de materiales o de proteínas por espectroscopia de rayos X o por absorción de rayos X por la estructura fina (o espectrometría XAS).

Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se utilizan partículas muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretenden generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías. Este es el caso del gran acelerador circular del CERN, donde el LEP, colisionador de electrones y positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de hadrones.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes, como el RHIC, el LHC (está programada su puesta en marcha en el día 10 de septiembre de 2008) o el Tevatrón se utilizan en experimentos de física de partículas.

[editar] CiclotrónArtículo principal: Ciclotrón

Imagen de la patente de 1934 del ciclotrón, por Ernest Orlando Lawrence. "Método y aparato para la aceleración de iones".

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por ejemplo el rodotrón [ 1 ] ).

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico (como por ejemplo la producción de 18 F para su uso en los PET), para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación. También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados espectrómetros de masas.

Para alcanzar energías superiores, del orden de los GeV y superiores, es necesario utilizar sincrotrones. y cronometros

[editar] SincrotrónArtículo principal: Sincrotrón

Imagen aérea del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores más grandes del mundo.

Túnel del antiguo LEP del CERN donde se encuentra en este momento el LHC, el mayor colisionador de hadrones del mundo.

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos, pasando de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:

el desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas impensables,

sistemas de vacío, que permitan mantener las partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del haz inadmisibles,

superordenadores , capaces de calcular las trayectorias de las partículas en las distintas configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los análisis científicos de los grandes aceleradores como el LHC.

Al igual que en otras áreas de la tecnología de punta, existen múltiples desarrollos que se realizaron para su aplicación en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de las personas. Quizá el más conocido fue el desarrollo de la World Wide Web (comúnmente llamada web), desarrollado para su aplicación en el LEP.

La única forma de elevar la energía de las partículas con estos aceleradores es incrementar su tamaño. Generalmente se toma como referencia la longitud del perímetro de la circunferencia (realmente no forman una circunferencia perfecta, sino un polígono lo más aproximado posible a esta). Por ejemplo tendríamos el LEP con 26,6 km, capaz de alcanzar los 45 GeV (91 GeV para una colisión de dos haces en sentidos opuestos), actualmente reconvertido en el LHC del que se prevén energías superiores a los 7 TeV.

[editar] Aceleradores de mayores energías

Existen varios proyectos para superar las energías que alcanzan los nuevos aceleradores. Estos aceleradores se espera que sirvan para confirmar teorías como la Teoría de la gran unificación e incluso para la creación de agujeros negros que confirmarían la teoría de supercuerdas.

Para 2015-2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional,[2] un enorme linac de 40 km de longitud, inicialmente de 500 GeV que se ampliarían hasta 1 TeV. Este acelerador utilizará un laser enfocado en un fotocátodo para la generación de electrones. En 2007 no se había decidido aún qué nación lo albergaría.

El Supercolisionador superconductor [ 3 ] (SSC en inglés) era un proyecto de un sincrotrón de 87 km de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV. Se abortó el proyecto en 1993.

Se cree que la aceleración de plasmas mediante láseres conseguirán un incremento espectacular en las eficiencias que se alcancen.[4] Estas técnicas han alcanzado ya aceleraciones de 200 GeV por metro, si bien en distancias de algunos centímetros, en comparación con los 0,1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias.

[editar] Fundamentos físicos

[editar] Generación de partículas

Las partículas cargadas (las únicas que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes en los aceleradores) se generan de diversas formas. La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Esto se hace habitualmente calentando un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica, aunque también se puede hacer enfocando un láser en él. Al aumentar la temperatura también aumenta la probabilidad de que un electrón de la corteza atómica la abandone momentáneamente. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón (cargado negativamente) regresaría al poco tiempo al átomo ionizado (positivamente) al atraerse las cargas opuestas. Sin embargo, si colocamos

cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón.

Si en esa placa efectuamos un pequeño agujero, y tras él un conducto al que se le haya extraído el aire, conseguiremos extraer electrones. Sin embargo, si no existe ese agujero el electrón impactará contra la placa generando rayos X.

Cuando se pretenden generar protones, sin embargo, es necesario ionizar átomos de hidrógeno (compuestos únicamente por 1 protón y 1 electrón). Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidrógeno. Si en esa válvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendrán por un lado electrones acelerados y por el opuesto, protones acelerados. Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE en el Laboratorio Nacional Los Álamos (Estados Unidos).

Los positrones se generan de forma similar, solo que necesitaremos hacer incidir fotones de energías superiores a los 1,1 MeV sobre un blanco (de oro, tungsteno o cualquier otro material pesado). Esa energía es la mínima necesaria para crear un par electrón-positrón. La eficiencia de esta generación es muy pequeña, con lo que en los colisionadores electrón-positrón se gasta gran parte de la energía consumida en este proceso.

Actualmente existe también interés en generar neutrones para utilizarlos en máquinas transmutadoras. Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito, que impactan sobre blancos cuya sección eficaz o probabilidad de generación de neutrones sea alta. Al no poder acelerar más los neutrones (como se dijo, solo las partículas cargadas pueden acelerarse), su velocidad (o energía) final dependerá exclusivamente de la energía inicial del protón.

Prácticamente todas las partículas descritas se utilizan para tratamientos médicos, ya sea en diagnóstico (rayos X, TAC, PET), como en el tratamiento de tumores sólidos (el uso de protones y neutrones se está generalizando cada vez más para el tratamiento de tumores de difícil tratamiento).

[editar] Ecuaciones de LorentzVéanse también: Ecuaciones de Maxwell y Fuerza de Lorentz

Representación gráfica de la fuerza de Lorentz (solo la parte debida al campo magnético, representado con dirección perpendicular a la pantalla y sentido hacia fuera de la misma).

Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones (cuando se usan de forma separada) de Lorentz. La ecuación puede escribirse de forma básica como:

donde es la fuerza que sufre la partícula cargada dentro del campo electromagnético, q es la carga de la partícula cargada (-1 para el electrón, +1 para el positrón o el protón, y

mayores para núcleos pesados), es el valor del campo eléctrico, el campo magnético y la velocidad de la partícula.

La ecuación se traduce en que la partícula recibe una aceleración que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa. Además, los campos eléctricos empujan a la partícula en la dirección del movimiento (el sentido dependerá del signo de la carga y del sentido del propio campo eléctrico), mientras que los campos magnéticos curvan la trayectoria de la partícula (solo cuando el campo magnético es perpendicular a la trayectoria), empujándola hacia el centro de una circunferencia cuyo radio dependerá de la magnitud del campo magnético, de la velocidad que posea la partícula en ese momento y de su carga y masa.

En resumen, los campos eléctricos aportan cambios en el módulo de la velocidad de la partícula, acelerándola o desacelerándola, mientras que los campos magnéticos la hacen describir trayectorias curvas sin modificar su módulo (esto no es exactamente así, ya que las partículas perderán energía por la radiación sincrotrón, pero sirve como primera aproximación).

[editar] Componentes de un acelerador

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son:

[editar] Vacío

[editar] Conducto del haz de partículas

[editar] Componentes generadores de fuerzas

Dipolos eléctricos . Se aplica una diferencia de potencial, generando un campo eléctrico entre dos placas o tubos. Esto hace que la partícula se acelere, como entre dos fases de un linac.

Dipolos magnéticos . Se crea un campo magnético (generalmente de forma artificial mediante bobinas) perpendicular a la trayectoria de la partícula de forma que la curva. Por ejemplo entre las D de un ciclotrón, haciéndola describir un arco de 180 grados para volver a la separación entre ambas. También para curvar ligeramente (arcos pequeños) el haz de partículas en un sincrotrón.

Multipolos magnéticos. Se utilizan para enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente y se eviten pérdidas en el trayecto.

[editar] Conductores generadores de los campos electromagnéticos

[editar] Sistemas de refrigeración

[editar] Blancos

Para crear las partículas generadas en los grandes aceleradores se necesitan blancos, donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias.

Los blancos se pueden distinguir entre fijos o móviles. En los fijos se engloban todos aquellos que hacen impactar las partículas aceleradas contra un blanco inmóvil, como los aparatos de rayos X o los utilizados en la espalación. En los móviles se encuentran aquellos que hacen impactar las propias partículas entre ellas, por ejemplo en los colisionadores, duplicando de este modo de forma sencilla la energía que pueden alcanzar los aceleradores.

[editar] DetectoresArtículo principal: Detectores de partículas

Para ver las partículas generadas en el impacto contra el blanco son necesarios los detectores, que actuarían como los ojos de los científicos.

Uno de los detectores más conocidos construidos para detectar las partículas creadas en las colisiones es el ATLAS, instalado en el LHC.

Una versión sencilla del conjunto acelerador-blanco-detector sería el aparato de televisión. En este caso el tubo de rayos catódicos es el acelerador, que impulsa los electrones hacia la pantalla revestida de fósforo interiormente que actuaría de blanco, transformando los electrones en fotones (con energía en el rango del visible) que, si estuviéramos mirando la

televisión, impactarían en los conos y bastoncillos de nuestras retinas (detectores), enviando señales eléctricas a nuestro cerebro (el supercomputador) que interpreta los resultados.

ACELERADOR DE PARTICULAS SUBATOMICAS

¿Qué es un acelerador de partículas subatómicas?

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia.

Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares:

✓ Aceleradores lineales: Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

Aceleradores circulares: Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima. Este es el caso del gran acelerador circular del CERN, donde el LEP, colisionador de electrones y

Gran colisionador de hadrones.

¿Qué es el Gran colisionador de hadrones?

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider o LHC, siglas por las que es generalmente conocido) es un acelerador de partículas (o acelerador y colisionador de partículas) ubicado en la actualmente denominada Organización Europea para la Investigación Nuclear ubicado cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza.

¿Cómo funciona el Gran colisionador de hadrones?

Los protones son acelerados a velocidades del 99,99% de la velocidad de la luz (c) y chocan entre sí en direcciones diametralmente opuestas produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos durante o inmediatamente después del big bang.

Conclusión.

Los físicos esperan que los aceleradores de partículas ayudarán a responder a las preguntas más fundamentales de la física, las cuestiones relativas a las leyes básicas que rigen las interacciones y las fuerzas entre los objetos elementales, la estructura profunda del espacio y del tiempo, especialmente con respecto a la intersección de la mecánica cuántica y la relatividad general, donde las teorías actuales y los conocimientos son poco claras o romper por completo

Acelerador de partículas o gran colisionador de hadrones

El universo nació de la nada, no estaba en ningún lugar porque antes de el tiempo no existía, tampoco existía el espacio, realmente no había nada, nada de nada a lo que me refiero es que ni siquiera había un lugar para que existiera o tiempo para que ocurriera, pero de algún modo de aquella nada surgió todo.

Primero se agrupo polvo y gas para formar las estrellas los sesenta millones de millones de millones de estrellas se agruparon en cien mil millones de galaxias esparcidas por una distancia de setecientos mil millones de trillones de kilómetros como mínimo en el extremo de una de esas galaxias nueve mil millones de años después del big ban se formo un planeta menor que llego a ser conocido como la tierra y el motivo porque sabemos todo esto es un descubrimiento hecho aquí hace trescientos años, ese descubrimiento fue la velocidad de la luz y es eso lo que nos permite mirar al pasado, cuando miramos el espacio viajamos al pasado .

¿QUE ES EL ACELERADOR DE PARTICULAS?

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider o LHC, siglas por las que es generalmente conocido) es un acelerador de partículas (o acelerador y colisionador de partículas) (la sigla es la del antiguo nombre en francés de tal institución: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN) o Organización Europea para la Investigación Nuclear, el diseño del acelerador se creo para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones de 7 TeV de energía, siendo su propósito principal examinar la validez y límites del Modelo Estándar, el cual es actualmente el marco teórico de la física de partículas, del que se conoce su ruptura a niveles de energía altos. Los protones son acelerados a velocidades del 99% de la velocidad de la luz y chocan entre sí en direcciones opuestas produciendo altísimas energías aunque a escalas subatómicas que permitirían simular algunos eventos ocurridos durante o inmediatamente después del big bang. El colisionador de hagrones se ha convertido en el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción. Teóricamente se espera que, una vez este en funcionamiento, se detecte la partícula conocida como el bosón de Higgs también a veces llamada "la partícula de Dios. La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo estándar de la física, pudiéndose explicar cómo adquieren las otras partículas elementales propiedades como su masa.

Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la búsqueda de una Teoría de la gran unificación, teoría que pretende unificar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad. Además este bosón podría explicar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas que fueron

predichas teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda, como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.

¿PARA QUE SIRVE UN ACELERADOR DE PARTICULAS?

Para aumentar al máximo la velocidad de las partículas cargadas de cierta energía con el propósito de bombardear un blanco y provocar reacciones nucleares. El aparato acelera las partículas subatómicas, como letrones, protones o destrones, que se utilizan para estudiar a otras partículas subatómicas. Antes de que hubiera reactores nucleares, eran el único medio para la fabricación de isótopos, partículas de poca masa son introducidos en el acelerador, se les da mucha energía cinética y luego se les hace colisionar entre sí.

En este proceso pueden aparecer partículas masivas e inestables de las que se estudiaran sus propiedades.

Como suelen comportarse como ondas, al aumentar la cantidad de movimiento de una partícula disminuye la longitud de onda, lo que permite ver de cierta manera, el interior de los átomos.

El primer acelerador fue construido por John Cockvroft y Ernes Walton en la Universidad de Cambridge, Inglaterra, en 19930; consistía en un generador eléctrico que producía varios centenares de miles de voltios.

¿COMO FUNCIONA EL ACELERADOR DE PARTICULAS?

Como su propio nombre indica, en su forma más básica una máquina de este tipo no es más que un dispositivo que acelera partículas cargadas y luego las hace impactar contra un objetivo. Los hay de muy poca energía, como un televisor común, y de muchísima energía, como el LHC que entrará en funcionamiento el año que viene, pero todos funcionan mediante el mismo concepto: la atracción y repulsión de cargas.

El tipo más sencillo y primitivo de acelerador de partículas es el tubo de rayos catódicos, que sigue estando en muchos televisores y monitores antiguos, aunque vayan siendo reemplazados ya por otro tipo de monitores como los de cristal líquido. Un tubo de rayos catódicos funciona de una manera sorprendentemente sencilla:

En primer lugar, se tiene un emisor de electrones (como veremos, es posible acelerar otras partículas subatómicas, pero los electrones son muy fáciles de obtener y muy ligeros comparados con su carga, de modo que son las más comúnmente utilizadas). El emisor suele ser un metal que está conectado a la corriente eléctrica y se calienta mucho. Los electrones del metal, a una temperatura elevada, se agitan tanto que son capaces de escapar de él: este efecto se denomina efecto termoiónico.

Una vez se tienen estos electrones libres, se aceleran utilizando un par de electrodos dentro de un tubo en el que hay un vacío imperfecto, uno negativo (en el extremo del tubo en el que están los electrones) y otro positivo (en el extremo opuesto), los electrones son repelidos por el electrodo cercano a ellos y atraídos por el opuesto, de modo que empiezan a moverse hacia el electrodo positivo, más y más rápido.

Por eso, , si en casa tenemos un televisor “tradicional”, veremos que tienen un gran fondo: no es posible tener un televisor de ese tipo que sea muy fina. La razón es que, con un acelerador de este tipo, cuanto mayor es el voltaje entre los electrodos y más separados están (más recorrido tienen los electrones para acelerar), más velocidad pueden adquirir los electrones. Como sabemos, los electrones son dirigidos a uno u otro punto de la pantalla mediante imanes, y allí forman la imagen, pero eso es ya otra historia.

Los electrones de los televisores tienen poca energía, aunque probablemente más de la que podemos pensar: pueden acelerar hasta la cuarta parte de la velocidad de la luz (unos 75.000 km/s) mediante voltajes de unos 15.000-20.000 voltios. En física de partículas, lo que suele importar es la energía cinética que adquiere la partícula, que suele medirse en electronvoltios. Un electro voltio es la energía que tiene un electrón cuando se acelera mediante un voltaje de un voltio, de manera que los electrones de nuestro televisor tienen una energía de unos 15.000-20.000 electro voltios, es decir, 15-20 kilo electronvoltios, o miles de electronvoltios. ¿Parece mucho? Pues ya veremos que ala final no resulta siendo tanto.

Los generadores de rayos X (utilizados, por ejemplo, para hacer radiografías) funcionan casi exactamente igual: se aceleran electrones a lo largo de un tubo recto, como en un televisor, y a continuación se hacen chocar contra un objetivo de algún metal, como el tungsteno: cuando los electrones -que van muy rápido- chocan contra el metal, pierden casi toda su energía, que es emitida en forma de fotones muy energéticos, es decir, rayos X. Los cañones de rayos X son bastante más largos que un televisor, y funcionan con diferencias de potencial mucho mayores: es mas con un tubo de metro y medio y millones de voltios pueden lograrse energías de millones de electronvoltios, mega electronvoltios.

Sin embargo, los aceleradores de partículas más interesantes son, sin lugar a dudas, los empleados para hacer colisionar partículas subatómicas por los físicos para conocer más sobre la estructura de la materia. El problema con los tubos de rayos catódicos es que la energía que puede lograr un electrón (o cualquier otra partícula cargada) entre dos placas cargadas es bastante baja comparada con la energía necesaria para observar la mayor parte de los fenómenos interesantes para los físicos, de modo que pronto se desarrollaron nuevos aceleradores más complejos.

Una manera de evitar este problema es no utilizar dos electrodos, sino muchos: imaginemos que tenemos cien placas metálicas, cada una con un agujero en el centro. Un cañón de electrones emite electrones libres en un extremo. Los electrones, como en el televisor, son repelidos por la placa junto a ellos y atraídos por la siguiente (cargada positivamente). Justo cuando el electrón atraviesa el agujero del electrodo positivo, se cambia la polaridad del circuito de modo que la placa queda cargada ahora negativamente, y la siguiente

positivamente: el electrón es ahora repelido por la placa que acaba de atravesar, y atraído por la siguiente…

De este modo, si se tienen suficientes electrodos uno detrás de otro, y suficiente distancia, pueden lograrse velocidades gigantescas. Desde luego, los problemas prácticos son varios: en primer lugar, según los electrones se mueven más y más rápido, recorren distancias enormes, de modo que un acelerador de este tipo puede ser larguísimo. Además, piensa que muy pronto los electrones pasan de placa a placa tan rápido que las placas cambian de polaridad a frecuencias muy altas. De hecho, se convierten en emisores de microondas – y muchos de estos aceleradores se fabrican para convertirse en cavidades resonantes a esas frecuencias, para aprovechar las ondas generadas por las placas.

Este tipo de aceleradores sigue siendo muy utilizado, por su sencillez. El más largo y más potente de todos es el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) de la Universidad de Stanford, en California, que tiene ¡tres kilómetros y doscientos metros de largo! Se trata probablemente del objeto totalmente recto más largo de la Tierra:

El SLAC fue construido en 1966 y el tubo por el que se mueven las partículas está enterrado a 10 metros de profundidad. La carretera que se ve, bajo la que pasa el acelerador, es la autopista interestatal 280. Este monstruo rectísimo es capaz de proporcionar 50.000.000.000 eV (50 GeV, giga electronvoltios) a los electrones y positrones que acelera – los lleva a velocidades que se aproximan a la de la luz. Unas 1.000 personas trabajan en el SLAC. Durante muchos años se utilizó directamente, haciendo impactar las partículas sobre átomos para producir partículas inestables, y de hecho este acelerador ha producido tres Premios Nobel (los descubrimientos del quark charm, la estructura de quarks de los protones y electrones, y el descubrimiento del tauón).

Hoy en día, sin embargo, el SLAC se utiliza como “cañón” de un colisionador circular de electrones y positrones, el PEP-II, que tiene una circunferencia de más de dos kilómetros y consta de dos tubos (uno para los electrones y otro para los positrones, que giran en sentidos contrarios hasta que se encuentran en la intersección entre los tubos).

El problema de los aceleradores lineales de este tipo, como puedes comprender, es que hay un límite práctico a la longitud que pueden tener. La solución, naturalmente, sería conseguir que la partícula lo recorriese de principio a fin y luego volviera a empezar. ¿Cómo lograr eso? Con un acelerador que no sea recto, sino circular. El tipo más sencillo es el denominado ciclotrón.

Un ciclotrón, básicamente, tiene dos placas (no muchas, como los grandes aceleradores lineales), igual que el televisor. La partícula cargada se acelera entre ellas, llega a la placa que la atrae, la atraviesa… y entonces se encuentra con un intenso campo magnético que la hace girar, lo que hace básicamente el campo magnético es hacer que las cosas giren -en curvas tanto más “cerradas” cuanto mayor sea el campo-.

La partícula, entonces, realiza una curva muy cerrada hasta que vuelve a la placa que había atravesado. Mientras, se ha cambiado la polaridad de las dos placas: ahora el electrodo que lo atrajo lo repele, y al revés. De modo que la partícula atraviesa de nuevo el tubo, pero ahora en sentido contrario al inicial y más rápido que la primera vez. Cuando sale por el otro lado, se encuentra con un campo magnético que la hace girar y vuelve a realizar el camino en sentido contrario.

Cada vez que la partícula realiza el recorrido, gira y vuelve, se mueve más y más rápido, de modo que la curva que realiza es cada vez más y más abierta (una espiral), hasta que llega un momento en el que no puede acelerarse más o se saldría del aparato: en ese momento se hace que salga definitivamente, tras haber recorrido el tubo muchas veces y moverse muy rápido. Los primeros ciclotrones se construyeron en los años 30, pero el problema -similar al de los aceleradores lineales- es el tamaño: una partícula que va muy rápido realiza curvas tan abiertas que haría falta un ciclotrón de un radio gigantesco para alcanzar energías muy grandes.

Patente de ciclotrón de 1934, Ernest

La solución de este problema es simplemente hacer que el campo magnético que hace girar a las partículas y las obliga a volver por donde vinieron sea cada vez más grande, según las partículas aceleran, de modo que el radio de la curva siempre sea el mismo. De esa manera, no hace falta tener en cuenta que las partículas realicen curvas de radio variable, sino que basta con un solo tubo. De este tipo son los aceleradores actuales más potentes, que se denominan sincrotrones, pues se sincronizan el campo magnético de los imanes y el eléctrico de los electrodos para acelerar las partículas.

Un sincrotrón moderno recibe partículas que ya se mueven muy rápido, pues su “cañón” suele ser un acelerador lineal de los que hemos hablado anteriormente, que desemboca en el anillo del sincrotrón (algunos tienen más de un anillo, y las partículas pasan al anillo exterior cuando se mueven demasiado rápido para el interior). En el anillo hay un campo eléctrico (los electrodos que cambian de polaridad para repeler-atraer la partícula) y un campo magnético (que hace que la partícula gire) sincronizados con el movimiento de la partícula, para que su trayectoria sea justo la del tubo circular.

El problema práctico, en este caso, es el efecto Joule, por el que un conductor se calienta cuando lo atraviesa una corriente eléctrica. Aunque el sincrotrón sea muy grande, el hacer girar a una partícula para que haga un círculo cuando se mueve a una velocidad que es prácticamente la de la luz es muy difícil: hacen falta campos magnéticos monstruosos. Desde luego, estos campos magnéticos no se consiguen con imanes naturales – sería de risa. Se logran con electroimanes superconductores. Y ahí está el problema: por un lado, para lograr un campo magnético muy grande, hace falta que el metal superconductor esté muy frío. Por otro, al ser un electroimán, hace falta una corriente eléctrica muy grande, que hace que todo se caliente mucho. Aunque los sincrotrones más grandes tienen sistemas de refrigeración potentísimos por helio líquido, hay un límite práctico que es difícil de rebasar, pues la cantidad de calor a disipar cada segundo es monstruosa.

El sincrotrón más potente que existe -y el acelerador más potente de la historia- es el Tevatrón del Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois, construido en 1987. Es un anillo con una circunferencia de unos seis kilómetros, y es capaz de proporcionar energías de hasta 1 TeV (teraelectronvoltio, un billón de electronvoltios) a los protones y antiprotones que acelera. Estas partículas, cuando han recorrido el anillo cientos de miles de veces, llegan a moverse a velocidades próximas a la de la luz. muy próximas: les faltan unos 320 km/h para llegar a la velocidad de la luz.

No sólo eso: el Tevatrón tiene dos tubos en el anillo, de modo que puede acelerar partículas en los dos tubos moviéndose en sentidos opuestos y luego hacer que colisionen en el punto de intersección con energías relativas de casi 2 TeV. El quark top fue descubierto en el Tevatrón en 1995.

En la imagen puedes ver los anillos del Inyector Principal (cerca) y el Tevatrón propiamente dicho (detrás). El Inyector Principal acelera los protones hasta unos 150 GeV, y luego los hace chocar contra un objetivo de níquel. Se producen diversas partículas inestables, entre ellas antiprotones, que luego pueden pasar al anillo del Tevatrón y ser acelerados a su vez – lo mismo que los protones, en sentido inverso a los antiprotones, antes de hacerlas chocar.

El descomunal LHC, que entrará en funcionamiento (si todo sale según lo previsto) en 2008 es aún más potente. Se encuentra entre Suiza y Francia, y su circunferencia es más de tres veces la del Tevatrón – unos 27 kilómetros. De hecho, el LHC es tan brutal que necesita acelerar las partículas con muchos aceleradores secundarios, que forman una especie de cadena:

Un acelerador lineal (marcado como p) acelera protones hasta 50 Mev. Los protones pasan entonces al PSB -que es el anillo sin marcar al lado del acelerador lineal, que los lleva hasta 1.4 GeV. De allí pasan al PS que los acelera hasta 26 GeV. A continuación, el (SPS) los acelera hasta 450 GeV y los conduce, finalmente, al anillo principal del LHC. Algo similar sucede con los antiprotones.

Allí los protones y antiprotones darán vueltas y más vueltas en sentidos contrarios, mientras los campos eléctrico y magnético siguen aumentando, hasta alcanzar energías de unos 7 microsegundos en hacer una vuelta entera – ¡darán unas 11.000 vueltas por segundo!

Dentro del anillo habrá múltiples detectores, que puedes ver marcados en el diagrama, para tratar de responder a muchas preguntas de física fundamental que aún no tienen respuesta, como si existe el bosón de Higgs, si las partículas tienen versiones supersimétricas de sí mismas, por qué la gravedad es tan débil comparada con las demás fuerzas, cuál es la

naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, y un cantidad de osas que no nos llegamos a imaginar.

Una vez que el LHC esté construido será la máquina más poderosa construida nunca por el hombre, mas que la bomba atómica, capaz de reproducir condiciones que no han existido en el Universo desde el Big Bang, valla que las posibilidades de investigación son enormes, y quién sabe qué aprenderemos sobre el Universo.

He aquí algunas clases de aceleradores:

Clasificación por su forma:

Lineal

Circular

Clasificación por su finalidad

Colisionador

Sincrotrón

Médico

Ciclotrón

Betatrón

Sincrociclotrón

Clasificación según sus haces

Aceleradores de haces opuestos

Aceleradores de blanco fijo

¿CUANTO LE COSTO A LAS NACIONES EL ACELERADOR DE PARTICULAS?

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de Francos suizos, alrededor de 1700 millones de euros, mas o menos unos 2,404,355,186.26 U.S , para ser mas claro, la pequeña tontería de $4,895,267,159,225.36 de pesos colombianos, junto con otros 210 millones de francos (140 millones €) destinados a los

experimentos. Sin embargo, este coste fue superado en la revisión de 2001 en 480 millones de francos (300 millones de €) en el acelerador, y 50 millones de francos (30m €) más en el apartado para experimentos. Otros 180 millones de francos (120m €) más se han tenido que destinar al incremento de costes de las bobinas magnéticas superconductoras. Y todavía persisten problemas técnicos en la construcción del último túnel bajo tierra donde se emplazará el Solenoide compacto de muones (CMS).

El presupuesto de la institución aprobado para 2008, es de 660.515.000 euros para un total de 53.929.422 euros, hablamos de costos con lo que podemos pagar la deuda externa 5 veces y nos sobraría para comprar el Ferrary de rasguño, reconstruir la hacienda Nápoles, devolverle la platica todos los inversionistas de DMG y patrocinarle otra campaña de reelección a el doctor Álvaro Uribe Vélez.

¿QUE SE BUSCA ENCONTRAR?

Se están construyendo 5 experimentos para el LHC. Dos de ellos, ATLAS y CMS, son grandes detectores de partículas de propósito general. Los otros tres, LHCb, ALICE y TOTEM, son más pequeños y especializados. El LHC también puede emplearse para hacer colisionar iones pesados tales como plomo (la colisión tendrá una energía de 1150 TeV). Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes cuestiones:

* El significado de la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente)

* La masa de las partículas y su origen (en particular, si existe el bosón de Higgs)

* El origen de la masa de los bariones

* Número de partículas totales del átomo

* A saber el porqué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si interactúan las partículas con un campo de Higgs)

* El 95% de la masa del universo no está hecho de la materia que se conoce y se espera saber qué es la materia oscura

* La existencia o no de las partículas supersimétricas

* Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir

* Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria

El LHC es un proyecto de tamaño inmenso y una enorme tarea de ingeniería. Mientras esté encendido, la energía total almacenada en los imanes es 10 giga julios y en el haz 725 mega julios. La pérdida de sólo un 10-7 en el haz es suficiente para iniciar un 'quench' (un fenómeno cuántico en el que una parte del superconductor puede perder la superconductividad). En este momento, toda la energía del haz puede disiparse en ese punto, lo que es equivalente a una explosión

¿COMO MANEJAN LA INFORMACION?

La red de computación del LHC es una red de distribución diseñada por el CERN para manejar la enorme cantidad de datos que serán producidos por el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Incorpora tanto enlaces propios de fibra óptica como partes de Internet de alta velocidad.

El flujo de datos provisto desde los detectores se estima aproximadamente en 300 Gb/s, que es filtrado buscando "eventos interesantes", resultando un flujo de 300 Mb/s. El centro de cómputo del CERN, considerado "Fila 0" de la red, ha dedicado una conexión de 10 Gb/s.

Se espera que el proyecto genere 27 Terabytes de datos por día, más 10 TB de "resumen". Estos datos son enviados fuera del CERN a once instituciones académicas de Europa, Asia y Norteamérica, que constituyen la "fila 1" de procesamiento. Otras 150 instituciones constituyen la "fila 2".

Se espera que el LHC produzca entre 10 a 15 Petabytes de datos por año.

MITOS Y LEYENDAS SOBRE EL ASELERADOR DE PARTICULAS

“Aquí hay sabiduría: el que tiene entendimiento cuente el numero del bestia, pues es un numero de hombre, y su numero es seiscientos sesenta y seis”. (Ap 13-18)

Algunas personas con conceptos mas bíblicos se refieren al experimento como el Armagedón “Para que ese será nuestro castigo, el castigo a la humanidad por tratar de emular a Dios, se abrirá la puerta al infierno y las tinieblas cubrirán a los pecadores la inmundicia de los espíritus llenos de maldad nos opacara ante nuestra codicia.

Dan Brown utiliza el LHC en su novela Ángeles y Demonios: El CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) quita una cantidad diminuta de la antimateria y la usa en calidad de arma. No obstante el contenido científico es controvertido, otros físicos sin re-nombre tratando de hacer ver los experimentos con aceleradores de partículas como armas de magnitudes catastróficas, por ejemplo:

Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho denunciaron ante un tribunal de Hawaii al CERN y al Gobierno de Estados Unidos, afirmando que existe la posibilidad de que su funcionamiento desencadene procesos que, según ellos, serían capaces de provocar la destrucción no sólo de la Tierra sino incluso del Universo entero. Sin embargo su postura es rechazada por la comunidad científica, ya que carece de cualquier respaldo matemático que la apoye.

Los procesos catastróficos que denuncian son:

* La formación de un agujero negro inestable,

* La formación de materia extraña supermasiva, tan estable como la materia ordinaria,

* La formación de monopolos magnéticos (previstos en la teoría de la relatividad) que pudieran catalizar el decaimiento del protón,

* La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.

A este respecto, el CERN ha realizado estudios sobre la posibilidad de que se produzcan acontecimientos desastrosos como microagujeros negros inestables, redes, o disfunciones magnéticas. La conclusión de estos estudios es que "No se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas.

Resumiendo:

* En el hipotético caso de que se creara un agujero negro, sería tan infinitamente pequeño que podría atravesar la Tierra sin tocar ni un solo átomo, ya que el 95% de estos son espacio vacio. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.

* El planeta Tierra está expuesto a fenómenos naturales similares o peores a los que serán producidos en el LHC.

* Los rayos cósmicos que alcanzan continuamente la Tierra han producido ya el equivalente a un millón de eventos LHC.

* El Sol, debido a su tamaño, ha recibido 10.000 veces más.

* Considerando que todas las estrellas del universo visible reciben un número equivalente, se alcanzan unos 1031 experimentos como el LHC y aún no se ha observado ningún evento como el postulado por Wagner y Sancho.

* Durante la operación del colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en Brookhaven (EE.UU.) no se ha observado ni un solo strangelet. La producción de

strangelets en el LHC es menos probable que el RHIC, y la experiencia en este acelerador ha validado el argumento de que no se pueden producir strangelets.

En fin mitos hay muchos, algunos no muy bien sustentados, otros mas creibles, lo único que podemos afirmar es que todos tenemos derecho a opinar.

Algunas Curiosidades

* Para controlar la configuración primaria para las máquinas de la red de ordenadores del LHC se utiliza una distribución científica del sistema operativo Linux llamada Scientific Linux. Esta red se utiliza para recibir y distribuir los 15 petabytes de datos a 100.000 CPU de todo el mundo, parece que se le encontró una utilidad al Linux, vaya tal ves Microsoft no es el mejor.

* Un grupo de hackers griegos consiguieron burlar la seguridad de Windows Server 2003 permitiendo así ingresar a los servidores del CERN, estando "a un paso" de los sistemas que controlan el LHC. El grupo "Greek Security Team" dejo el mensaje "Les bajamos los pantalones porque no queremos verlos corriendo desnudos buscando dónde esconderse cuando llegue el pánico" dejando constancia de que ni los mejores sistemas del mundo son los mas seguros.

* El LHC lanzó su primera partícula el 10 de septiembre del 2008. Este hecho ya había circulado por todo el mundo, provocando revueltas, e incluso, el suicidio de una india que pensó que el mundo se acabaría, bueno pero parece que aún seguimos vivos, Nostradamos se volvió a equivocar.

* Estaba previsto que el LHC fuera oficialmente puesto en marcha en diciembre del 2008, pero una fuga de helio provocó que lo desconectaran. No será puesto en marcha hasta septiembre del 2009, nos queda poco tiempo, a si que hay que hacer todas las cosas que no hemos hecho, tirarse en para-pente, correr desnudo, tirarse en paracaídas, declarársele a la vecina, volverte creyente, emborracharte, en fin…..

* Stephen Hawking apostó 100 dólares a que la partícula bosón de Higgs no existe, y mencionó que sería más interesante el no encontrar la llamada partícula de Dios, ¿será ateo?, porque 100 dólares es poco tal ves tiene miedo a equivocarse, yo apostaría mas si estuviera tan seguro.

* Tom Hanks será la persona que presione el botón de inicio de la máquina en septiembre del 2009, Tom, felicidades serás nombrado como el anticristo.

Ciudad y fecha: Cd. Obregón, Sonora a 03 de Diciembre del2009

Materia: Lectura, Expresión Oral y Escrita 1.

Profa.: Rosa Elvia Castro Valenzuela

Especialidad: Laboratorista Clínico

Nombre: Luis García Valenzuela

Turno: Matutino

Grupo: I-D

Mesa: 1

Introducción

El acelerador de partículas es un instrumento que utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades y energías muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Hay dos tipos de aceleradores: 1) Los aceleradores lineales utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un conjunto de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso de cada haz. 2) Los aceleradores circulares poseen una ventaja que los aceleradores lineales no tienen, usan campos magnéticos combinados con campos eléctricos, pudiendo producir aceleraciones mayores en pequeños espacios. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Existen varios proyectos para superar las energías que alcanzan los nuevos aceleradores como el LHC. Existen otros tipos de aceleradores como lo son los blancos y detectores. Una versión sencilla de conjunto acelerador-blanco-detector seria el aparato de televisión.

Para crear y poder ver las partículas generadas en los grandes aceleradores se necesitan por un lado blancos, donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias, y por otro lado detectores que actuarían como los ojos de los científicos.

Para la creación de cualquier acelerador de partículas es necesario seguir ciertos fundamentos físicos. El primero es la generación de partículas, en el cual se cargan las partículas con energia; el segundo es por medio de las Ecuaciones de Lorentz, que son

ecuaciones basicas de elctromagnetismo y el tercero son los Com`ponentes basicos, que son el Vacio, el Conducto del haz de partículas, los Generadores de fuerzas, los Generadores de campos electromagneticos, Sistemas de refrigeración y los Blancos.

Acelerador de Partículas

El acelerador de partículas es un instrumento que utiliza campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades y energías muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, este instrumento es capaz de contener esas partículas. Un acelerador pude ser desde un tubo de rayos catódicos ordinarios, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia. Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares. Los aceleradores lineales también llamado por su vocablo en ingles Linac, son aparatos de altas energías que utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un conjunto de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso de cada haz. Los aceleradores circulares poseen una ventaja que los aceleradores lineales no tienen, usan campos magnéticos combinados con campos eléctricos, pudiendo producir aceleraciones mayores en pequeños espacios. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida. Sin embargo poseen un límite de energía que puede alcanzarse debido a la radiación de Sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una perdida de energía, que es mayor cuanto mas grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se suministra, alcanzando una velocidad máxima. La radiación Sincrotón es mayor cuando las partículas son mas ligeras, por lo que se utilizan partículas muy ligeras, principalmente electrones, cuando se pretende generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se aceleran partículas pesadas, como protones o núcleos ionizados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes son el RHIC, un colisionador de electrones y positrones, el LHC, un colisionador de hadrones, y el Tevatrón, que es usado para experimentos de física de partículas.

Existen varios proyectos para superar las energías que alcanzan los nuevos aceleradores como el LHC. Estos aceleradores se esperan que sirvan para confirmar teorias como la Teoria de la gran unificación e incluso para la creación de agujeros negros que confirmarian la Teoria de supercuerdas. Para el periodo del 2015-2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional, un enorme linac de 40km. de longitud, inicialmente de

500 GeV que se ampliarian hasta 1 TeV. Este acelerador utilizara un laser enfocado en un fotocátodo para la generacion de elctrones. En el 2007 aun no se habia decidido que nacion lo albergaria.

El Súpercolisionador superconductor (SSC en ingles) era un proyecto de un sincrotón de 87 km. de longitud en Texas que alcanzaria los 20 TeV. Este proyecto se aborto en 1993. se cree que la aceleración de plasmas mediante láseres conseguirían un incremento espectacular en las eficiencias que se alcancen. Estas tecnicas han alcanzado ya aceleraciones de 200 GeV por metro, si bien en distancias de algunos centímetros, en comparación con los de 0.1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias. Existen otros tipos de aceleradores como lo son los blancos y detectores. Una versión sencilla de conjunto acelerador-blanco-detector seria el aparato de televisión. En este caso el tubo de rayos catódicos es el acelerador, que impulsa los electrones hacia la pantalla revestida de fósforo interiormente que actuaría de blanco, transformando los electrones en fotones con energía en el rango del visible que, si estuviéramos mirando la televisión, impactarían en los conos y bastoncillos de nuestras retinas, que actuarían como detectores, enviando señales eléctricas a nuestro cerebro, que seria el supercomputador, que interpreta los resultados.

Para crear y poder ver las partículas generadas en los grandes aceleradores se necesitan por un lado blancos, donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias, y por otro lado detectores que actuarían como los ojos de los científicos.

Los blancos se pueden distinguir entre fijos o móviles. En los fijos se engloban todos aquellos de los aparatos de rayos X o los utilizados en la espalación, sobre los cuales impactan las partículas aceleradas. En los móviles se encuentran las propias partículas que impactan entre ellas, por ejemplo en los colisionadores, duplicando de este modo de forma sencilla la energía que pueden alcanzar los aceleradores. Uno de los detectores más impresionantes construidos para detectar las partículas creadas en las es el ATLAS, construido en el LHC.

Para la creación de cualquier acelerador de partículas es necesario seguir ciertos fundamentos físicos. El primero es la generación de partículas; las partículas cargadas, las cuales son las únicas que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes en los aceleradores, se generan de diversas formas. La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Esto se hace habitualmente calentando un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica, aunque también se puede hacer enfocando un láser en él. Al aumentar la temperatura también aumenta la probabilidad de que un electrón de la corteza atómica la abandone momentáneamente. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón cargado negativamente, regresaría al poco tiempo al átomo ionizado positivamente al atraerse las cargas opuestas. Sin embargo, si colocamos cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón.

Si en esa placa efectuamos un pequeño agujero, y tras él un conducto al que se le haya extraído el aire, conseguiremos extraer electrones. Sin embargo, si no existe ese agujero el electrón impactará contra la placa generando rayos X. Cuando se pretenden generar protones, sin embargo, es necesario ionizar átomos de hidrógeno (compuestos únicamente por 1 protón y 1 electrón). Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidrógeno. Si en esa válvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendrán por un lado electrones acelerados y por el opuesto, protones acelerados. Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE en el Laboratorio Nacional Los Álamos, Estados Unidos. Los positrones se generan de forma similar, solo que necesitaremos hacer incidir fotones de energías superiores a los 1.1 MeV sobre un blanco de oro, tungsteno o cualquier otro material pesado. Esa energía es la mínima necesaria para crear un par electrón-positrón. La eficiencia de esta generación es muy pequeña, con lo que en los colisionadores electrón-positrón se gasta gran parte de la energía consumida en este proceso.

Actualmente existe también interés en generar neutrones para utilizarlos en máquinas transmutadoras. Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito, que impactan sobre blancos cuya sección eficaz o probabilidad de generación de neutrones sea alta. Al no poder acelerar más los neutrones, que no son partículas cargadas, su velocidad o energía final dependerá exclusivamente de la energía inicial del protón. Prácticamente todas las partículas descritas se utilizan para tratamientos médicos, ya sea en diagnóstico como los rayos X, TAC o PET, para el tratamiento de tumores sólidos donde el uso de protones y neutrones se está generalizando cada vez más para el tratamiento de tumores de difícil tratamiento.

El segundo es la aplicación de las Ecuaciones de Lorentz; todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones, cuando se usan de forma separada, de Lorentz. La ecuación puede escribirse de forma básica como: donde “F” es la fuerza que sufre la partícula cargada dentro del campo electromagnético, que es la carga de la partícula cargada: -1 para el electrón, +1 para el protón y mayores cargas para núcleos pesados, “E” es el valor del campo electrico, “B” es el campo magnetico y “V” es la velocidad de la particula. La ecuación se traduce en que la partícula recibe una aceleración que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa. Además, los campos eléctricos empujan a la partícula en la dirección del movimiento, el cual dependerá del signo de la carga y del sentido del propio campo eléctrico, mientras que los campos magnéticos curvan la trayectoria de la partícula, solamente cuando el campo magnético es perpendicular a la trayectoria, empujándola hacia el centro de una circunferencia cuyo radio dependerá de la magnitud del campo magnético, de la velocidad que posea la partícula en ese momento y de su carga y masa.

En resumen, los campos eléctricos aportan cambios en el módulo de la velocidad de la partícula, acelerándola o desacelerándola, mientras que los campos magnéticos la hacen describir trayectorias curvas sin modificar su módulo.

Los componentes en los cuales se divide el acelerador son 1) el Vacío, que es un tubo donde existe un vacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente; 2) el Conducto del haz de partículas, los cuales son inmensos tubos de 20 a 42 km. de largo, por el cual viajan los haces de partículas; los Generadores de fuerzas, que se dividen en tres tipos: a) Dipolos electricos: es donde se aplica una diferencia de potencial, generando un campo electrico entre dos placas o tubos, esto hace que las partículas de aceleren; b) Dipolos magneticos: se crea un campo magnetico perpendicular a la trayectoria de la particula de tal manera que la curva; c) Multipolos magneticos: se utilizan para enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente y se eviten pérdidas en el trayecto; 3) los Generadores de campos electromagneticos, el cual es un sistema para acelerar la velocidad de las partículas; 4) los Sistemas de refrigeración, el cual absorbe el calor producido por el movimiento de las partículas; 5) los Blancos, que son los lugares en los cuales el haz de partículas terminara impactado.

A pesar de todos los mecanismos de seguridad, pruebas cientificas y fisicas, calculos, entre otras cosas, no se puede designar un estandar de efectividad y seguridad de los aceleradores de partículas de alta potencia, como el LHC. El LHC es el acelerador de partículas mas poderoso jamas construido, el cual podria hacer algunos descubrimientos notables, como obtener la primera particula que se formo despues de la explosion del Big Bang, confirmar la existencia de la materia invisible o de las dimensiones del espacio. Algunos cientificos temian que el LHC (Gran Colisionador de Hadrones), llegara a sobrepasar las conjeturas mas descabelladas de los fisicos, creando un inmenso agujero negro que se tragara a la Tierra, sin embargo, el 10 de Septiembre del 2008, se puso en funcionamiento el primer haz de partículas, el cual recorrio la trayectoria de 27 km. con éxito, sin ningun hecho apocaliptico. En este año se espera que el LHC se ponga en funcionamiento de nuevo para lanzar los dos haces de partículas en direcciones opuestas y a velocidades nunca antes alcanzadas para proporcionar nuevos datos para propiciar nuevos descubrimientos, como el de la particula teorizada denominada “La Particula de Dios” la cual explicara por que la materia tiene masa. A pesar de todas las medidas de seguridad y calculos Fisico-Matematicos, se cree que el acelerador de partículas podria acarrear tres grandes catástrofes: 1) Crear inmensos agujeros negros debido a la energia e inestabilidad de las partículas, aunque los cientificos dicen que estos se evaporarian; 2) Que al colisionar dos átomos pesados como oro o plomo, los Quarks se ordenen de otra manera dando lugar a un nuevo tipo de materia. El problema es que ésta haría que toda la materia que tocara se convertiría en este nuevo y desconocido tipo; 3) Que el universo se cambiara de forma considerable, debido a que se crearian nuevas dimensiones. Aunque la posibilidad de que alguna de estas catastrofes sucediera es de 1 en 50 millones. Por otro lado, el correcto funcionamiento nos permitira conocer lo que ha hecho la naturaleza durante miles de millones de años en tan solo un segundo, generando 15 petabites de información cada año. Con toda esta amplia gama de informcion, ¿Aprendere algo que me sea util en el futuro en mis estudios de Bio-Fisico Nanotecnologo?.

Conclusión

Lo que aprendi de este tema es que el acelerador de partículas ha sido el mas grande experomento cientifico de la historia, que nos permitira ver todo lo que hace la naturaleza, aunque existan problemas como la creación de hoyos negros, que se altere el universo, que

la tierra se vuelva una masa inerte, etc. Pero, a pesar de todo esto, los cientificos prosigen con su funcionamiento para el bien de la humanidad y porque confian en que nada malo pase, ya que eso seria terrible para nosotros. Este tema esta relacionado con muchas ciencias, como Biología, Fisica, Quimica, entre otras, así como temas de sociedad, ya que la seguridad nuestra tambien va incluida en todo este experimento.

La respuesta a la hipótesis planteada anteriormente seria Afirmativa (HA), porque tanto el acelerador de partículas como la carrera que quiero estudiar, están ligadas de algún amanera, ya que las dos se relacionan con Química, Física, Biología y sociedad. La relación que tienen las dos cosas me permite tener un mejor entendimiento de estas ciencias, facilitándome la comprensión y empleacion de muchos conocimientos necesarios para llevar a cabo mi sueño. Los conocimientos que he adquirido los puedo emplear para darme una idea de que significa ser un Bio-Físico Nanotecnologo. Por ejemplo, la relación que tienen en física es que el acelerador de partículas emplea métodos y conocimientos de masa, inercia, energía y fenómenos físicos, y un Bio-Físico Nanotecnologo utiliza estos conocimientos para la manipulación de átomos de cualquier tipo. La relación de Química es que en el acelerador ocurren reacciones de los compuestos de los átomos de los elementos y en mi carrera las reacciones químicas se necesitan para un control, verificación y producción de los compuestos creados y los que están en fase de experimentación. En biología, el acelerador esta conectado con la naturaleza y todo lo que nos rodea porque una catástrofe de parte de este, causaría un desequilibrio en lo que conocemos, mientras que un Bio-Físico Nanotecnologo maneja, crea y altera la composición genética de cualquier ser vivo, pudiendo causar dos tipos de problemas: 1) Modificar genéticamente un ser vivo, a tal grado que lo mejore y su supervivencia y también regenerar especies extintas o 2) Causar un desequilibrio en el ecosistema provocando una mutación en todo lo que conocemos.

Anexo de imágenes

Acelerador 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.

Acelerador LHC

La imagen de enseguida muestra los planos de un acelerador de partículas conocido como el acelerador LEP del CERN en la frontera entre Suiza y Francia. Dejo de funcionar en el

año 2000. Actualmente sus túneles subterráneos se utilizan para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Túnel del LHC.

Esquema del interior de uno de los túneles del acelerador de partículas LHC. 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.

Acelerador de partículas

Acelerador lineal de Van de Graaf de una sola etapa de 2 MeV.

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia.

Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares. En este artículo se describirán los tipos más comunes de aceleradores de partículas.

Aceleradores de bajas energías

Al contrario de la creencia popular, los aceleradores de partículas no son aparatos exclusivos de laboratorios sofisticados, sino que también se encuentran muy presentes en la vida cotidiana de las personas, en forma de aceleradores de bajas energías. Ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los televisores o monitores de ordenador (los modelos antiguos que utilizan tubos de rayos catódicos, los cuales pueden considerarse aceleradores lineales de una sola etapa) o los aparatos de rayos X que pueden encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales. Estos aceleradores de bajas energías utilizan un único par de electrodos a los que se les aplica una diferencia de potencial, directamente, de algunos miles de voltios. En un aparato de rayos X se calienta un filamento metálico que se encuentra entre ambos electrodos mediante el paso de una corriente eléctrica, emitiendo de este modo electrones. Esos electrones son acelerados en el campo eléctrico generado entre ambos electrodos hasta alcanzar el electrodo que se utiliza como productor de rayos X, fabricado con un metal de alto Z (por ejemplo el tungsteno). También se utilizan aceleradores de partículas de bajas energías, llamados implantadores de iones, para la fabricación de circuitos integrados.

Aceleradores de altas energías

Líneas del haz de partículas que llevan desde el acelerador de Van de Graaf a varios experimentos, en la base del Campus Jussieu de París.

Aceleradores lineales

Artículo principal: Acelerador lineal

Acelerador lineal de partículas en el Argonne National Laboratory.

Los aceleradores lineales (muchas veces se usa el acrónimo en inglés linac) de altas energías utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Esta pieza del acelerador ayudó al desarrollo de la bomba atómica. Construido en 1937 por Philips de Eindhoven, se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).

A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de inversión de los campos eléctricos se hace tan alta que deben operar a frecuencias de microondas, y por eso, en muy altas energías, se utilizan cavidades resonantes de frecuencias de radio en lugar de placas.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar a las partículas hasta velocidades suficientemente altas como para causar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o los multiplicadores de potencial, que convierten una corriente alterna a continua de alto voltaje, o bien generadores Van de Graaf que utilizan electricidad estática transportada mediante cintas.

Estos aceleradores se usan en muchas ocasiones como primera etapa antes de introducir las partículas en los aceleradores circulares. El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear Accelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

Estos aceleradores son los que se usan en radioterapia y radiocirugía. Estos aceleradores utilizan válvulas klistrón y una determinada configuración de campos magnéticos, produciendo haces de electrones de una energía de 6 a 30 millones de electronvoltios (MeV). En ciertas técnicas se utilizan directamente esos electrones, mientras que en otras se les hace colisionar contra un blanco de número atómico alto para producir haces de rayos X. La seguridad y fiabilidad de estos aparatos está haciendo retroceder a las antiguas unidades de cobaltoterapia.

Dos aplicaciones tecnológicas de importancia en las que se usan este tipo de aceleradores son la espalación para la generación de neutrones aplicables a los amplificadores de

potencia para la transmutación de los isótopos radiactivos más peligrosos generados en la fisión.

Véase también: Abandono de la energía nuclear

Aceleradores circulares

Artículo principal: Acelerador de partículas circular

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan esa radiación, a veces llamada luz sincrotrón. Esta radiación se utiliza como fuentes de Rayos X de alta energía, principalmente en estudios de materiales o de proteínas por espectroscopia de rayos X o por absorción de rayos X por la estructura fina (o espectrometría XAS).

Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se utilizan partículas muy ligeras (principalmente electrones) cuando se pretenden generar grandes cantidades de esta radiación, pero generalmente se aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que hacen que estos aceleradores puedan alcanzar mayores energías. Este es el caso del gran acelerador circular del CERN, donde el LEP, colisionador de electrones y positrones, se ha sustituido por el LHC, colisionador de hadrones.

Los aceleradores de partículas más grandes y potentes, como el RHIC, el LHC (está programada su puesta en marcha en el día 10 de septiembre de 2008) o el Tevatrón se utilizan en experimentos de física de partículas.

Ciclotrón [editar]

Artículo principal: Ciclotrón

Imagen de la patente de 1934 del ciclotrón, por Ernest Orlando Lawrence. "Método y aparato para la aceleración de iones".

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10 MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas para utilizar mayores frecuencias (por ejemplo el rodotrón[1] ).

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico (como por ejemplo la producción de 18F para su uso en los PET), para la esterilización de instrumental médico o de algunos alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación. También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados espectrómetros de masas.

Para alcanzar energías superiores, del orden de los GeV y superiores, es necesario utilizar sincrotrones. y cronometros

Sincrotrón [editar]

Artículo principal: Sincrotrón

Imagen aérea del Fermilab (Chicago), uno de los aceleradores más grandes del mundo.

Túnel del antiguo LEP del CERN donde se encuentra en este momento el LHC, el mayor colisionador de hadrones del mundo.

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan configuraciones de campos electromagnéticos

mucho más complejos, pasando de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:

* el desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos electromagnéticos necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico hasta cotas impensables,

* sistemas de vacío, que permitan mantener las partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del haz inadmisibles,

* superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las partículas en las distintas configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar las enormes cantidades de datos generadas en los análisis científicos de los grandes aceleradores como el LHC.

Al igual que en otras áreas de la tecnología de punta, existen múltiples desarrollos que se realizaron para su aplicación en estos aceleradores que forman parte de la vida cotidiana de las personas. Quizá el más conocido fue el desarrollo de la World Wide Web (comúnmente llamada web), desarrollado para su aplicación en el LEP.

La única forma de elevar la energía de las partículas con estos aceleradores es incrementar su tamaño. Generalmente se toma como referencia la longitud del perímetro de la circunferencia (realmente no forman una circunferencia perfecta, sino un polígono lo más aproximado posible a esta). Por ejemplo tendríamos el LEP con 26,6 km, capaz de alcanzar los 45 GeV (91 GeV para una colisión de dos haces en sentidos opuestos), actualmente reconvertido en el LHC del que se prevén energías superiores a los 7 TeV.

Aceleradores de mayores energías [editar]

Existen varios proyectos para superar las energías que alcanzan los nuevos aceleradores. Estos aceleradores se espera que sirvan para confirmar teorías como la Teoría de la gran unificación e incluso para la creación de agujeros negros que confirmarían la teoría de supercuerdas.

Para 2015-2020 se espera que se construya el Colisionador lineal internacional,[2] un enorme linac de 40 km de longitud, inicialmente de 500 GeV que se ampliarían hasta 1 TeV. Este acelerador utilizará un laser enfocado en un fotocátodo para la generación de electrones. En 2007 no se había decidido aún qué nación lo albergaría.

El Supercolisionador superconductor[3] (SSC en inglés) era un proyecto de un sincrotrón de 87 km de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV. Se abortó el proyecto en 1993.

Se cree que la aceleración de plasmas mediante láseres conseguirán un incremento espectacular en las eficiencias que se alcancen.[4] Estas técnicas han alcanzado ya

aceleraciones de 200 GeV por metro, si bien en distancias de algunos centímetros, en comparación con los 0,1 GeV por metro que se consiguen con las radiofrecuencias.

Fundamentos físicos [editar]

Generación de partículas [editar]

Las partículas cargadas (las únicas que pueden acelerar los campos electromagnéticos presentes en los aceleradores) se generan de diversas formas. La forma más sencilla es utilizar el propio movimiento que se genera al calentar un material. Esto se hace habitualmente calentando un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica, aunque también se puede hacer enfocando un láser en él. Al aumentar la temperatura también aumenta la probabilidad de que un electrón de la corteza atómica la abandone momentáneamente. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón (cargado negativamente) regresaría al poco tiempo al átomo ionizado (positivamente) al atraerse las cargas opuestas. Sin embargo, si colocamos cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón.

Si en esa placa efectuamos un pequeño agujero, y tras él un conducto al que se le haya extraído el aire, conseguiremos extraer electrones. Sin embargo, si no existe ese agujero el electrón impactará contra la placa generando rayos X.

Cuando se pretenden generar protones, sin embargo, es necesario ionizar átomos de hidrógeno (compuestos únicamente por 1 protón y 1 electrón). Para ello puede utilizarse como primera fase el sencillo acelerador de electrones descrito haciendo incidir el haz de electrones o de rayos X sobre una válvula rellena de gas hidrógeno. Si en esa válvula situamos de nuevo un par de placas sobre las que aplicamos un potencial se obtendrán por un lado electrones acelerados y por el opuesto, protones acelerados. Un ejemplo de este tipo de aceleradores es el LANSCE en el Laboratorio Nacional Los Álamos (Estados Unidos).

Los positrones se generan de forma similar, solo que necesitaremos hacer incidir fotones de energías superiores a los 1,1 MeV sobre un blanco (de oro, tungsteno o cualquier otro material pesado). Esa energía es la mínima necesaria para crear un par electrón-positrón. La eficiencia de esta generación es muy pequeña, con lo que en los colisionadores electrón-positrón se gasta gran parte de la energía consumida en este proceso.

Actualmente existe también interés en generar neutrones para utilizarlos en máquinas transmutadoras. Para ello se utilizan protones generados como se ha descrito, que impactan sobre blancos cuya sección eficaz o probabilidad de generación de neutrones sea alta. Al no poder acelerar más los neutrones (como se dijo, solo las partículas cargadas pueden acelerarse), su velocidad (o energía) final dependerá exclusivamente de la energía inicial del protón.

Prácticamente todas las partículas descritas se utilizan para tratamientos médicos, ya sea en diagnóstico (rayos X, TAC, PET), como en el tratamiento de tumores sólidos (el uso de

protones y neutrones se está generalizando cada vez más para el tratamiento de tumores de difícil tratamiento).

Ecuaciones de Lorentz [editar]

Véanse también: Ecuaciones de Maxwell y Fuerza de Lorentz

Representación gráfica de la fuerza de Lorentz (solo la parte debida al campo magnético, representado con dirección perpendicular a la pantalla y sentido hacia fuera de la misma).

Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones (cuando se usan de forma separada) de Lorentz. La ecuación puede escribirse de forma básica como:

donde es la fuerza que sufre la partícula cargada dentro del campo electromagnético, q es la carga de la partícula cargada (-1 para el electrón, +1 para el positrón o el protón, y mayores para núcleos pesados), es el valor del campo eléctrico, el campo magnético y la velocidad de la partícula.

La ecuación se traduce en que la partícula recibe una aceleración que es proporcional a su carga e inversamente proporcional a su masa. Además, los campos eléctricos empujan a la partícula en la dirección del movimiento (el sentido dependerá del signo de la carga y del sentido del propio campo eléctrico), mientras que los campos magnéticos curvan la trayectoria de la partícula (solo cuando el campo magnético es perpendicular a la trayectoria), empujándola hacia el centro de una circunferencia cuyo radio dependerá de la magnitud del campo magnético, de la velocidad que posea la partícula en ese momento y de su carga y masa.

En resumen, los campos eléctricos aportan cambios en el módulo de la velocidad de la partícula, acelerándola o desacelerándola, mientras que los campos magnéticos la hacen describir trayectorias curvas sin modificar su módulo (esto no es exactamente así, ya que las partículas perderán energía por la radiación sincrotrón, pero sirve como primera aproximación).

Componentes de un acelerador [editar]

Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son:

Vacío [editar]

Conducto del haz de partículas [editar]

Componentes generadores de fuerzas [editar]

* Dipolos eléctricos. Se aplica una diferencia de potencial, generando un campo eléctrico entre dos placas o tubos. Esto hace que la partícula se acelere, como entre dos fases de un linac.

* Dipolos magnéticos. Se crea un campo magnético (generalmente de forma artificial mediante bobinas) perpendicular a la trayectoria de la partícula de forma que la curva. Por ejemplo entre las D de un ciclotrón, haciéndola describir un arco de 180 grados para volver a la separación entre ambas. También para curvar ligeramente (arcos pequeños) el haz de partículas en un sincrotrón.

* Multipolos magnéticos. Se utilizan para enfocar los haces de partículas, de modo que los campos ejerzan sus acciones de forma más eficiente y se eviten pérdidas en el trayecto.

Conductores generadores de los campos electromagnéticos

Sistemas de refrigeración

Blancos

Para crear las partículas generadas en los grandes aceleradores se necesitan blancos, donde las partículas impactan, generando una enorme cantidad de partículas secundarias.

Los blancos se pueden distinguir entre fijos o móviles. En los fijos se engloban todos aquellos que hacen impactar las partículas aceleradas contra un blanco inmóvil, como los aparatos de rayos X o los utilizados en la espalación. En los móviles se encuentran aquellos que hacen impactar las propias partículas entre ellas, por ejemplo en los colisionadores, duplicando de este modo de forma sencilla la energía que pueden alcanzar los aceleradores.

Detectores

Artículo principal: Detectores de partículas

Para ver las partículas generadas en el impacto contra el blanco son necesarios los detectores, que actuarían como los ojos de los científicos.

Uno de los detectores más conocidos construidos para detectar las partículas creadas en las colisiones es el ATLAS, instalado en el LHC.

Una versión sencilla del conjunto acelerador-blanco-detector sería el aparato de televisión. En este caso el tubo de rayos catódicos es el acelerador, que impulsa los electrones hacia la

pantalla revestida de fósforo interiormente que actuaría de blanco, transformando los electrones en fotones (con energía en el rango del visible) que, si estuviéramos mirando la televisión, impactarían en los conos y bastoncillos de nuestras retinas (detectores), enviando señales eléctricas a nuestro cerebro (el supercomputador) que interpreta los resultados.