Abstract
Este ensayo se tratará muchos temas con respecto a los aceleradores de partículas como la historia, que aceleradores existen en el mundo, su aplicaciones, por lo que se verá que se han ido haciendo estudios muy grandes para construir cada uno de ellos en diferentes lugares y para la conveniencia de las personas y la no contaminación del medio ambiente.
Introducción
El átomo se consideraba hacia 1808 como el elemento más pequeño e indivisible que constituía la materia, pues en ese año John Dalton publicó su teoría atómica. Posteriormente Thomson descubrió el electrón, a continuación las investigaciones de Bohr sobre el modelo atómico del hidrógeno que había propuesto Rutherford. Utilizando la teoría cuántica interpretó el espectro del H y en 1913 publicó su modelo atómico, en el que se explicaba el ascenso y descenso de los electrones a unos y otros niveles de energía. Este modelo atómico explicaba fielmente el comportamiento del átomo de H y de los átomos hidrogenoides, pero espectros atómicos más complejos quedaban fuera de toda aclaración, al igual que tampoco explicaba el efecto de desdoblamiento que se producía en las líneas espectrales debido a los campos magnéticos. Hacia mediados del siglo XX se descubrieron gran cantidad de partículas que se consideran elementales. Hoy por hoy se sigue estudiando en los aceleradores y colisionadores de partículas de todo el mundo el posible descubrimiento de nuevas partículas.
Acelerador de partículas
Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, o bien, permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.
A. Teoría de los aceleradores
Los grandes aceleradores de partículas son instrumentos de investigación científica extraordinariamente importantes, sobre todo en lo que refiere a la física nuclear. Pero también se utilizan otros tipos de aceleradores más reducidos para otros campos de la ciencia, como la medicina y la tecnología.
Un haz de partículas, merced a su energía cinética, puede penetrar en los átomos del material bombardeado y provocar diversas transformaciones. En los laboratorios de física nuclear, se estudia la naturaleza de esas transformaciones, intentando sacar conclusiones acerca de las propiedades y las estructuras de los núcleos atómicos.
Los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas son numerosos. Ciertos isótopos radioactivos no pueden obtenerse si no es mediante el bombardeo por aceleración de partículas en un blanco determinado.
Se descubrieron varias partículas hasta entonces desconocidas, como las antipartículas y los mesones, a través de la colisión a gran velocidad de haces de electrones e iones.
La energía de las partículas que es posible alcanzar en un acelerador de partículas varía desde unas decenas de KeV, en los aparatos más pequeños, hasta los 14 TeV que teóricamente puede alcanzar el Gran Colisionador de Hadrones.
La forma más sencilla de generar un acelerador de partículas es usando el propio movimiento generado al calentar un material. Se calienta un filamento hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica para lograr esto. Con el aumento de la temperatura se puede desprender un electrón de un átomo ionizado. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo acelere en dirección contraria este electrón que está cargado negativamente regresaría al poco tiempo al átomo ionizado positivamente al atraerse las cargas opuestas. Pero al colocar cerca del filamento una segunda placa, creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos acelerar el electrón. Al hacer un agujero en esta placa se podrán extraer electrones.
Además debemos considerar la parte física del proceso con una de las ecuaciones básicas de la teoría electromagnética, la de la fuerza de Lorentz que se presenta a continuación con la ecuación
Esquema Básico de un Acelerador de grandes rasgos consta de:
Elementos a través de los que circulan las partículas (cámara de vacío)
Elementos que aceleran las partículas (cavidades de radiofrecuencia)
Elementos que guían las partículas (dipolos, cuadripolos, etc.)
Elementos que miden las partículas (monitores de posición, etc.)
Figura 1. Esquema básico de un acelerador de partículas
B. Historia y Aceleradores existentes en el mundo
Los ingleses Cockcroft y Walton, quienes en el año de 1932, fueron los primeros en construir el primer acelerador de iones positivos, con el que generaron un haz de protones de bajas energías y lo usaron para bombardear isótopos de litio. El resultado de este bombardeo fue producir la primera transmutación nuclear hecha totalmente por el hombre. Por este evento Cockeroft y Walton recibieron el premio Nobel de Física en 1933.
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.
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 rodotrón1).
Figura 2. Primer acelerador de partículas
Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos de uso médico, 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.
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.
El acelerador lineal de Stanford, que tiene una longitud de 3.2 Kilómetros, puede producir electrones y protones de energía muy alta. En la parte derecha inferior de la fotografía se ve un anillo de almacenamiento, el SPEAR, que tiene unos 75 metros de diámetro. El acelerador Tevatrón de Fermilab es la primera máquina superconductora que entró en operación.
El túnel del acelerador Tevatrón de Fermilab, uno de los laboratorios nacionales de Estados Unidos, tiene una circunferencia de 6.3 Kilómetros.
CERN: Centro Europeo de Investigación Nuclear
Se creó en 1954 tiene un perímetro de 27 Km y profundidad de 140 m. Participan más de 20 países. Tiene energías de 14 billones de eV (14 TeV). Se estudia las partículas más fundamentales de la naturaleza mediante colisiones.
El gran colisionador de hadrones (LHC-"Large Hadron Collider") es la respuesta del CERN a la búsqueda de los científicos de los misterios de la materia. Construido en el túnel que albergó durante los años setenta al gran colisionador de protones (LEP-Gran Colisionador de Electrones- Protones), es el mayor acelerador de partículas que existirá sobre la Tierra. Su objetivo es hacer colisionar protones a tal velocidad que éstos darán 11.245 vueltas al anillo en cada segundo. Los chorros de protones inyectados en su interior viajarán durante diez horas diez billones de kilómetros hasta conseguir una energía similar a la que tendría un coche a 1.600 kilómetros por hora. Los choques entre estos haces de partículas generarán nuevas partículas, unas ya conocidas y otras -como los bosones de Higgs- cuya existencia aún no conocemos, pero que han sido predichas por las teorías físicas. A cien metros bajo el suelo suizo y francés se esconde desde los años setenta un inmenso túnel circular de veinticinco kilómetros de contorno que ha venido alojando los instrumentos más poderosos que los técnicos, físicos e ingenieros han desarrollado con la noble intención de descubrir los secretos de la materia y desvelar la formación de nuestro Universo. Nos referimos a los aceleradores de partículas, el mayor de los cuales, el LHC, está aún en construcción.
Figura 3. Gran Colisionador de Hadrones
C. Aplicaciones, experimentos y resultados actuales
La radiación de sincrotrón cubre el espectro electromagnético de radiación que se extiende desde el infrarrojo y luz visible hasta rayos x duros. Las primeras fuentes de radiación de sincrotrón fueron los aceleradores de partículas con forma de anillos, construidos para la investigación en física de partículas elementales.
El acelerador de partículas permite llevar a cabo terapias por radiaciones ionizantes. La energía producida al cambiar la trayectoria de las partículas aceleradas se puede aplicar al tratamiento contra el cáncer.
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 baja energía, ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los televisores o monitores de ordenador o los aparatos de rayos X, que pueden encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales.
El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo.1 Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.
Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs, a veces llamada "partícula de Dios" o "partícula de la masa". La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar de la física, pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa.
Figura 4. Acelerador de partículas
Campos magnéticos generados por imanes
Posteriormente, son inyectados en el acelerador grande. "A principios de marzo se consiguieron en el anillo grande aumentar la energía de los protones hasta 3,5 TeV, primera vez a esas energías. Ahora hay dos haces a esa energía y cuando choquen la energía será el doble, 7 TeV", ha detallado el investigador español.
Concretamente, ha explicado que lo que hace acelerar las partículas son los campos magnéticos generados por los imanes que tiene el LHC, en torno a 1.800 imanes superconductores que operan hasta 271 grados bajo cero. Estos se reparten el trabajo, van impulsando las partículas y después hay imanes que lo mantienen en una trayectoria.
"Lo que acelera a los protones son los campos eléctricos. Las partículas cargadas en un campo eléctrico se aceleran, sufre una fuerza que le acelera en su camino. Eso a lo bestia es el LHC, que tiene montones de campos eléctricos que van dando empujoncitos a las partículas, que lo que hacen es curvarlas y mantenerlas en una trayectoria curvada", ha agregado el experto.
Conclusiones
En este ensayo se ha aprendido que los aceleradores de partículas se los han ido cambiando de poco en poco pero todavía no se llega a una exactitud por lo que los científicos siguen estudiando para poder mejorar esta situación.
Se ha visto que existen diferentes aceleradores de partículas por lo que más se ha aplicado es en aceleradores de partículas lineales como el televisor, microscopio, etc.
También se ha podido investigar que los aceleradores de partículas son tan importantes que se podría usar en la medicina y muchos descubrimientos científicos y así ser una ventaja para la humanidad.
Para la creación de los aceleradores de partículas se tiene que estudiar tanto la física como la química y además el electromagnetismo para poder llegar a entender cómo se puede hacer el proceso del acelerador de partículas.
Bibliografía
REFERENCIAS
[1]http://www.portalplanetasedna.com.ar/archivos_varios/atomo08.jpg
[2]http://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculas
[3]http://eclipse.red.cinvestav.mx/revistacinvestav/aceleradores.pdf
[4] http://arqcompu-aceleradores.blogspot.com/
[5]http://es.wikipedia.org/wiki/Gran_colisionador_de_hadrones
[6]http://aula2.elmundo.es/aula/laminas/lamina1134988431.pdf
[7]http://www.cadenaser.com/sociedad/articulo/primeras-colisiones-acelerador-particulas-lhc/csrcsrpor/20100330csrcsrsoc_1/Tes
[8]http://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=17&resId=0&materialId=slides&confId=153896
[9] http://www.molwick.com/es/experimentos/175-acelerador-particulas-lhc.html
Autor:
Edwin Gerardo Gamboa Vinueza,
Universidad Politécnica Salesiana,