Colisionador

Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que reúne dos haces de partículas opuestos para que colisionen . ^{[ 1 ]} En comparación con otros aceleradores de partículas en los que las partículas en movimiento colisionan con un blanco de materia estacionario, los colisionadores pueden alcanzar energías de colisión más altas. Los colisionadores pueden ser aceleradores de anillo o aceleradores lineales .

Los colisionadores se utilizan como herramienta de investigación en física de partículas , acelerando partículas a energías cinéticas muy elevadas y permitiendo que impacten entre sí. El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos pruebas sólidas de la estructura del mundo subatómico y de las leyes naturales que lo rigen. Estas leyes pueden manifestarse únicamente a altas energías y durante periodos de tiempo extremadamente cortos, por lo que su estudio puede resultar difícil o imposible por otros medios.

En física de partículas, se obtiene conocimiento sobre las partículas elementales acelerándolas a energías cinéticas muy elevadas y dirigiéndolas hacia colisiones con otras partículas. A energías suficientemente altas, se produce una reacción que transforma las partículas en otras. La detección de estos productos permite comprender los principios físicos implicados.

Para realizar este tipo de experimentos existen dos configuraciones posibles:

• Configuración de objetivo fijo: Un haz de partículas (los proyectiles ) se acelera con un acelerador de partículas y, como compañero de colisión, se coloca un objetivo estacionario en la trayectoria del haz.
• Colisionador: Dos haces de partículas son acelerados y dirigidos uno contra el otro, de modo que las partículas chocan mientras vuelan en direcciones opuestas.

La configuración del colisionador es más difícil de construir, pero tiene la gran ventaja de que, según la relatividad especial, la energía de una colisión inelástica entre dos partículas que se aproximan entre sí con una velocidad dada no es solo 4 veces mayor que en el caso de una partícula en reposo (como ocurriría en la física no relativista); puede ser órdenes de magnitud mayor si la velocidad de colisión se aproxima a la velocidad de la luz.

En el caso de un colisionador donde el punto de colisión está en reposo en el sistema de referencia del laboratorio (es decir,${\displaystyle {\vec {p}}_{1}=-{\vec {p}}_{2}}$), la energía del centro de masa${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }}$(la energía disponible para producir nuevas partículas en la colisión) es simplemente${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}}$, dónde${\displaystyle E_{1}}$y${\displaystyle E_{2}}$es la energía total de una partícula de cada haz. Para un experimento de objetivo fijo donde la partícula 2 está en reposo,${\displaystyle E_{\mathrm {cm} }^{2}=m_{1}^{2}+m_{2}^{2}+2m_{2}E_{1}}$. ^{[ 2 ]}

La primera propuesta seria para un colisionador se originó con un grupo de la Midwestern Universities Research Association (MURA). Este grupo propuso construir dos anillos aceleradores FFAG de sector radial tangente . ^{[ 3 ]} Tihiro Ohkawa , uno de los autores del primer artículo, desarrolló un diseño de acelerador FFAG de sector radial que podía acelerar dos haces de partículas que giraban en sentido contrario dentro de un solo anillo de imanes. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El tercer prototipo FFAG construido por el grupo MURA fue una  máquina de electrones de 50 MeV construida en 1961 para demostrar la viabilidad de este concepto.

Gerard K. O'Neill propuso utilizar un único acelerador para inyectar partículas en un par de anillos de almacenamiento tangentes . Al igual que en la propuesta original de MURA, las colisiones ocurrirían en la sección tangente. La ventaja de los anillos de almacenamiento es que pueden acumular un alto flujo de haz proveniente de un acelerador de inyección que alcanza un flujo mucho menor. ^{[ 6 ]}

Los primeros colisionadores de electrones y positrones se construyeron a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 en Italia, en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare de Frascati , cerca de Roma, por el físico austríaco-italiano Bruno Touschek , y en Estados Unidos, por el equipo de Stanford-Princeton, integrado por William C. Barber, Bernard Gittelman, Gerry O'Neill y Burton Richter . Casi al mismo tiempo, el colisionador de electrones y electrones VEP-1 se desarrolló y construyó de forma independiente bajo la supervisión de Gersh Budker en el Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk , URSS . Las primeras observaciones de reacciones de partículas en los haces colisionantes fueron reportadas casi simultáneamente por los tres equipos a mediados de 1964 y principios de 1965. ^{[ 7 ]}

En 1966, se inició el trabajo en los Anillos de Almacenamiento Intersecantes (ISR) en el CERN , y en 1971, este colisionador entró en funcionamiento. ^{[ 8 ]} El ISR era un par de anillos de almacenamiento que acumulaban y hacían colisionar protones inyectados por el Sincrotrón de Protones del CERN . Este fue el primer colisionador de hadrones , ya que todos los esfuerzos anteriores habían trabajado con electrones o con electrones y positrones .

En 1968 se inició la construcción del complejo acelerador de protones de mayor energía en Fermilab . Posteriormente se mejoró para convertirse en el colisionador Tevatron y en octubre de 1985 se registraron las primeras colisiones protón - antiprotón a una energía en el centro de masa de 1,6 TeV, lo que lo convirtió en el colisionador de mayor energía del mundo en ese momento. Más tarde, la energía alcanzó los 1,96 TeV y, al finalizar su funcionamiento en 2011, la luminosidad del colisionador superó en 430 veces su objetivo de diseño original. ^{[ 9 ]}

Desde 2009, el colisionador de partículas de mayor energía del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Actualmente opera a una energía en el centro de masa de 13 TeV en colisiones protón-protón. Más de una docena de futuros proyectos de colisionadores de partículas de diversos tipos —circulares y lineales, que colisionan hadrones (protón-protón o ión-ión), leptones (electrón-positrón o muón-muón) o electrones e iones/protones— se encuentran actualmente en consideración para la exploración detallada de la física del bosón de Higgs/electrodébil y los descubrimientos en la frontera energética posterior al LHC. ^{[ 10 ]}

Fuentes: La información se obtuvo del sitio web Particle Data Group . ^{[ 11 ]}

• LHC - El Gran Colisionador de Hadrones en la web
• El Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC)