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Acelerador de partículas

El Tevatron (círculo de fondo) , un acelerador de partículas tipo colisionador de sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), Batavia, Illinois, EE. ...

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El Tevatron (círculo de fondo) , un acelerador de partículas tipo colisionador de sincrotrón en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi (Fermilab), Batavia, Illinois, EE. UU. Cerrado en 2011, fue el acelerador de partículas más potente del mundo hasta 2007, acelerando protones a una energía de más de 1 TeV (teraelectronvoltios). Los haces de protones y antiprotones, que circulaban en direcciones opuestas en el anillo posterior, colisionaban en dos puntos de intersección inducidos magnéticamente. 
Animación que muestra el funcionamiento de un acelerador lineal , ampliamente utilizado tanto en la investigación física como en el tratamiento del cáncer.

Un acelerador de partículas es una máquina que utiliza campos electromagnéticos para impulsar iones a velocidades y energías muy altas para contenerlos en haces bien definidos . [ 1 ] [ 2 ] Los aceleradores pequeños se utilizan para la investigación fundamental en física de partículas . Los aceleradores también se utilizan como fuentes de luz de sincrotrón para el estudio de la física de la materia condensada . Los aceleradores de partículas más pequeños se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo la terapia de partículas para fines oncológicos , la producción de radioisótopos para diagnósticos médicos, implantadores de iones para la fabricación de semiconductores y espectrómetros de masas de acelerador para mediciones de isótopos raros como el radiocarbono .

Entre los grandes aceleradores se encuentran el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​del Laboratorio Nacional de Brookhaven en Nueva York y el mayor acelerador, el Gran Colisionador de Hadrones cerca de Ginebra, Suiza, operado por el CERN . Se trata de un acelerador colisionador que puede acelerar dos haces de protones a una energía de 6,5 TeV y hacer que colisionen frontalmente, generando energías en el centro de masa de 13 TeV. Existen más de 30 000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo. [ 3 ] [ 4 ]  

Existen dos clases básicas de aceleradores: electrostáticos y electrodinámicos (o electromagnéticos). [ 5 ] Los aceleradores de partículas electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar las partículas. Los tipos más comunes son el generador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff . Un ejemplo a pequeña escala de esta clase es el tubo de rayos catódicos de un televisor antiguo. La energía cinética alcanzable para las partículas en estos dispositivos está determinada por la tensión de aceleración , que está limitada por la ruptura dieléctrica . Los aceleradores electrodinámicos o electromagnéticos , por otro lado, utilizan campos electromagnéticos variables (ya sea inducción magnética o campos de radiofrecuencia oscilantes ) para acelerar las partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden pasar por el mismo campo de aceleración varias veces, la energía de salida no está limitada por la intensidad del campo de aceleración. Esta clase, que se desarrolló por primera vez en la década de 1920, es la base de la mayoría de los aceleradores modernos a gran escala.

Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck y Ernest Lawrence son considerados pioneros en este campo, ya que concibieron y construyeron el primer acelerador lineal de partículas operativo , [ 6 ] el betatrón , así como el ciclotrón . Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores solían ser los átomos de una pieza de materia, con el objetivo de crear colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, los aceleradores se denominaban comúnmente " aplastadores de átomos" en el siglo XX. [ 7 ] El término persiste a pesar de que muchos aceleradores modernos crean colisiones entre dos partículas subatómicas , en lugar de una partícula y un núcleo atómico. [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]

Usos

Líneas de haz que conectan el acelerador Van de Graaff con diversos experimentos, en el sótano del Campus Jussieu en París .
Edificio que cubre el tubo de haz de 3,2 km (2 millas) del acelerador lineal de Stanford (SLAC) en Menlo Park, California, el segundo acelerador lineal más potente del mundo.

Los haces de partículas de alta energía son útiles para la investigación fundamental y aplicada en las ciencias y también en muchos campos técnicos e industriales no relacionados con la investigación fundamental. [ 11 ] Hay aproximadamente 30 000 aceleradores en todo el mundo; de estos, solo alrededor del 1 % son máquinas de investigación con energías superiores a 1 GeV , mientras que alrededor del 44 % se utilizan para radioterapia , el 41 % para implantación iónica , el 9 % para procesamiento industrial e investigación, y el 4 % para investigación biomédica y otras investigaciones de baja energía. [ 12 ]

Física de partículas

Para las investigaciones más básicas sobre la dinámica y la estructura de la materia, el espacio y el tiempo, los físicos buscan las interacciones más simples a las energías más altas posibles. Estas suelen implicar energías de partículas de muchos GeV e interacciones de los tipos más simples de partículas: leptones (por ejemplo, electrones y positrones ) y quarks para la materia, o fotones y gluones para los cuantos de campo . Dado que los quarks aislados no están disponibles experimentalmente debido al confinamiento de color , los experimentos más simples disponibles implican las interacciones de, primero, leptones entre sí, y segundo, de leptones con nucleones , que están compuestos de quarks y gluones. Para estudiar las colisiones de quarks entre sí, los científicos recurren a las colisiones de nucleones, que a alta energía pueden considerarse como interacciones esencialmente de dos cuerpos de los quarks y gluones que los componen. Los físicos de partículas elementales suelen utilizar máquinas que crean haces de electrones, positrones, protones y antiprotones , que interactúan entre sí o con los núcleos más simples (por ejemplo, hidrógeno o deuterio ) a las energías más altas posibles, generalmente cientos de GeV o más.

El acelerador de partículas más grande y de mayor energía utilizado para la física de partículas elementales es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , que funciona desde 2009. [ 13 ]

Física nuclear y producción de isótopos

Los físicos nucleares y los cosmólogos pueden usar haces de núcleos atómicos desnudos , desprovistos de electrones, para investigar la estructura, las interacciones y las propiedades de los propios núcleos, así como de la materia condensada a temperaturas y densidades extremadamente altas, como las que pudieron haber existido en los primeros instantes del Big Bang . Estas investigaciones suelen implicar colisiones de núcleos pesados ​​—de átomos como el hierro o el oro— a energías de varios GeV por nucleón . El mayor acelerador de partículas de este tipo es el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional de Brookhaven .  

Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de protones, que pueden producir isótopos médicos o de investigación ricos en protones, a diferencia de los ricos en neutrones que se producen en reactores de fisión ; sin embargo, trabajos recientes han demostrado cómo producir 99Mo , que generalmente se produce en reactores, acelerando isótopos de hidrógeno, [ 14 ] aunque este método todavía requiere un reactor para producir tritio . Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE en el Laboratorio Nacional de Los Alamos .

radiación sincrotrón

Los electrones que se propagan a través de un campo magnético emiten haces de fotones muy brillantes y coherentes mediante radiación sincrotrón . Esta tiene numerosos usos en el estudio de la estructura atómica, la química, la física de la materia condensada, la biología y la tecnología. Existen numerosas fuentes de luz sincrotrón en todo el mundo. Algunos ejemplos en EE. UU. son el SSRL en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC , el APS en el Laboratorio Nacional Argonne, el ALS en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el NSLS-II en el Laboratorio Nacional Brookhaven . En Europa, se encuentran el MAX IV en Lund, Suecia, el BESSY en Berlín, Alemania, el Diamond en Oxfordshire, Reino Unido, y el ESRF en Grenoble , Francia; este último se ha utilizado para extraer imágenes tridimensionales detalladas de insectos atrapados en ámbar. [ 15 ]

Los láseres de electrones libres (FEL) son una clase especial de fuentes de luz basadas en radiación sincrotrón que proporciona pulsos más cortos con mayor coherencia temporal . Un FEL especialmente diseñado es la fuente de rayos X más brillante en el universo observable. [ 16 ] Los ejemplos más destacados son el LCLS en EE. UU. y el European XFEL en Alemania. Se está prestando más atención a los láseres de rayos X blandos , que junto con el acortamiento de pulsos abre nuevos métodos para la ciencia de los attosegundos . [ 17 ] Además de los rayos X, los FEL se utilizan para emitir luz de terahercios , por ejemplo FELIX en Nijmegen, Países Bajos, TELBE en Dresde, Alemania y NovoFEL en Novosibirsk, Rusia.

Por lo tanto, existe una gran demanda de aceleradores de electrones de energía moderada ( GeV ), alta intensidad y alta calidad de haz para impulsar fuentes de luz.

Máquinas de baja energía y terapia de partículas

Ejemplos cotidianos de aceleradores de partículas son los tubos de rayos catódicos que se encuentran en los televisores y los generadores de rayos X. Estos aceleradores de baja energía utilizan un único par de electrodos con una tensión continua de unos pocos miles de voltios entre ellos. En un generador de rayos X, el blanco es uno de los electrodos. Un acelerador de partículas de baja energía llamado implantador de iones se utiliza en la fabricación de circuitos integrados .

A energías más bajas, los haces de núcleos acelerados también se utilizan en medicina como terapia de partículas , para el tratamiento del cáncer.

Los tipos de aceleradores de corriente continua capaces de acelerar partículas a velocidades suficientes para provocar reacciones nucleares son los generadores Cockcroft-Walton o multiplicadores de voltaje , que convierten la corriente alterna en corriente continua de alto voltaje, o los generadores Van de Graaff que utilizan electricidad estática transportada por correas.

Esterilización por radiación de dispositivos médicos

El procesamiento mediante haz de electrones se utiliza comúnmente para la esterilización. Los haces de electrones son una tecnología de encendido/apagado que proporciona una tasa de dosis mucho mayor que los rayos gamma o los rayos X emitidos por radioisótopos como el cobalto-60 ( ⁶⁰Co ) o el cesio-137 ( ¹³⁷Cs ). Debido a la mayor tasa de dosis, se requiere un menor tiempo de exposición y se reduce la degradación del polímero. Dado que los electrones tienen carga eléctrica, los haces de electrones son menos penetrantes que los rayos gamma y los rayos X. [ 18 ]

aceleradores de partículas electrostáticos

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

Históricamente, los primeros aceleradores utilizaban una tecnología sencilla de alto voltaje estático para acelerar partículas cargadas. La partícula cargada se aceleraba a través de un tubo al vacío con un electrodo en cada extremo, con el potencial estático aplicado entre ellos. Dado que la partícula pasaba solo una vez por la diferencia de potencial, la energía de salida estaba limitada por el voltaje de aceleración de la máquina. Si bien este método sigue siendo muy popular hoy en día, con los aceleradores electrostáticos superando ampliamente en número a cualquier otro tipo, son más adecuados para estudios de baja energía debido al límite práctico de voltaje de aproximadamente 1  MV para máquinas con aislamiento de aire, o 30  MV cuando el acelerador funciona en un tanque de gas presurizado con alta rigidez dieléctrica , como el hexafluoruro de azufre . En un acelerador en tándem, el potencial se utiliza dos veces para acelerar las partículas, invirtiendo la carga de las partículas mientras están dentro del terminal. Esto es posible mediante la aceleración de núcleos atómicos utilizando aniones ( iones con carga negativa ) y, a continuación, haciendo pasar el haz a través de una lámina delgada para arrancar los electrones de los aniones dentro del terminal de alto voltaje, convirtiéndolos en cationes (iones con carga positiva), que se aceleran de nuevo al salir del terminal.

Los dos tipos principales de aceleradores electrostáticos son el acelerador Cockcroft-Walton , que utiliza un multiplicador de voltaje de diodo-capacitor para generar alto voltaje, y el acelerador Van de Graaff , que utiliza una cinta transportadora de tela para llevar la carga al electrodo de alto voltaje. Si bien los aceleradores electrostáticos aceleran las partículas en línea recta, el término acelerador lineal se usa con mayor frecuencia para los aceleradores que emplean campos eléctricos oscilantes en lugar de estáticos.

aceleradores de partículas electrodinámicos (electromagnéticos)

Debido al alto límite de voltaje impuesto por la descarga eléctrica, para acelerar partículas a energías más altas, se utilizan técnicas que involucran campos dinámicos en lugar de campos estáticos. La aceleración electrodinámica puede surgir de dos mecanismos: inducción magnética no resonante o circuitos o cavidades resonantes excitadas por campos de radiofrecuencia (RF) oscilantes. [ 19 ] Los aceleradores electrodinámicos pueden ser lineales , con partículas que se aceleran en línea recta, o circulares , utilizando campos magnéticos para desviar las partículas en una órbita aproximadamente circular.

Aceleradores de inducción magnética

Los aceleradores de inducción magnética aceleran partículas mediante la inducción de un campo magnético creciente, como si las partículas fueran el devanado secundario de un transformador. El campo magnético creciente crea un campo eléctrico circulante que puede configurarse para acelerar las partículas. Los aceleradores de inducción pueden ser lineales o circulares.

Aceleradores de inducción lineal

Los aceleradores de inducción lineal utilizan cavidades de inducción no resonantes con carga de ferrita. Cada cavidad puede considerarse como dos grandes discos en forma de arandela conectados por un tubo cilíndrico exterior. Entre los discos hay un toroide de ferrita. Un pulso de voltaje aplicado entre los dos discos provoca un campo magnético creciente que acopla inductivamente la potencia al haz de partículas cargadas. [ 20 ]

El acelerador de inducción lineal fue inventado por Christofilos en la década de 1960. [ 21 ] Los aceleradores de inducción lineal son capaces de acelerar corrientes de haz muy altas (>1000  A) en un solo pulso corto. Se han utilizado para generar rayos X para radiografía de destello (por ejemplo, DARHT en LANL ) y se han considerado como inyectores de partículas para fusión por confinamiento magnético y como impulsores para láseres de electrones libres .

Betatrones

El Betatron es un acelerador de inducción magnética circular, inventado por Donald Kerst en 1940 para acelerar electrones . El concepto se originó en última instancia con el científico noruego-alemán Rolf Widerøe . [ 22 ] [ 23 ] Estas máquinas, al igual que los sincrotrones, utilizan un imán anular en forma de rosquilla (véase más abajo) con un campo B que aumenta cíclicamente, pero aceleran las partículas por inducción del campo magnético creciente, como si fueran el devanado secundario de un transformador, debido al flujo magnético variable a través de la órbita. [ 24 ] [ 25 ]

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

Aceleradores lineales

Componente moderno de acelerador lineal multicelular superconductor de radiofrecuencia .

En un acelerador lineal de partículas (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un blanco de interés en un extremo. Se suelen utilizar para proporcionar un impulso inicial de baja energía a las partículas antes de que se inyecten en aceleradores circulares. El linac más largo del mundo es el Acelerador Lineal de Stanford (SLAC), que mide 3 km (1,9 millas) de longitud. SLAC fue originalmente un colisionador de electrones y positrones , pero ahora es un láser de electrones libres de rayos X.  

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

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

Los aceleradores lineales también se utilizan ampliamente en medicina , para radioterapia y radiocirugía . Los aceleradores lineales de grado médico aceleran electrones mediante un klistrón y una compleja disposición de imanes deflectores que produce un haz de energía.6–30 MeV  . Los electrones pueden utilizarse directamente o colisionar con un blanco para producir un haz de rayos X. La fiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido han sustituido en gran medida el uso anterior de la terapia con cobalto-60 como herramienta de tratamiento.

Aceleradores de radiofrecuencia circulares o cíclicos

En el acelerador circular, las partículas se mueven en círculo hasta alcanzar la energía suficiente. La trayectoria de la partícula se curva típicamente en forma circular mediante electroimanes . La ventaja de los aceleradores circulares sobre los aceleradores lineales ( linacs ) radica en que la topología de anillo permite una aceleración continua, ya que la partícula puede transitar indefinidamente. Otra ventaja es que un acelerador circular es más pequeño que un acelerador lineal de potencia comparable (es decir, un linac tendría que ser extremadamente largo para tener la misma potencia que un acelerador circular).

Dependiendo de la energía y la partícula que se acelera, los aceleradores circulares presentan la desventaja de que las partículas emiten radiación sincrotrón . Cuando una partícula cargada se acelera, emite radiación electromagnética y emisiones secundarias . Como una partícula que se mueve en círculo siempre se acelera hacia el centro del círculo, irradia continuamente hacia la tangente del círculo. Esta radiación se denomina luz sincrotrón y depende en gran medida de la masa de la partícula acelerada. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son linacs. Sin embargo, algunos aceleradores ( sincrotrones ) se construyen específicamente para producir luz sincrotrón ( rayos X ).

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

Ciclotrones

El ciclotrón de 60 pulgadas de Lawrence, con polos magnéticos de 60 pulgadas (5 pies, 1,5 metros) de diámetro, en el Laboratorio de Radiación Lawrence de la Universidad de California , Berkeley, en agosto de 1939, era el acelerador más potente del mundo en ese momento. Glenn T. Seaborg y Edwin McMillan (a la derecha) lo utilizaron para descubrir el plutonio , el neptunio y muchos otros elementos e isótopos transuránicos, por lo que recibieron el Premio Nobel de Química en 1951.

Los primeros aceleradores circulares operativos fueron los ciclotrones , inventados en 1929 por Ernest Lawrence en la Universidad de California, Berkeley . Los ciclotrones tienen un par de placas huecas en forma de D para acelerar las partículas y un gran imán dipolar que desvía su trayectoria hacia una órbita circular. Es una propiedad característica de las partículas cargadas en un campo magnético uniforme y constante B que orbitan con un período constante, a una frecuencia llamada frecuencia ciclotrónica , siempre que su velocidad sea pequeña en comparación con la velocidad de la luz c . Esto significa que las placas aceleradoras en forma de D de un ciclotrón pueden ser impulsadas a una frecuencia constante por una fuente de potencia aceleradora de radiofrecuencia, mientras el haz se expande en espiral continuamente. Las partículas se inyectan en el centro del imán y se extraen en el borde exterior cuando alcanzan su máxima energía.

Los ciclotrones alcanzan un límite energético debido a efectos relativistas, por los cuales las partículas se vuelven efectivamente más masivas, de modo que su frecuencia ciclotrónica se desincroniza con la radiofrecuencia aceleradora. Por lo tanto, los ciclotrones simples solo pueden acelerar protones hasta una energía de alrededor de 15 millones de electronvoltios (15  MeV, que corresponde a una velocidad de aproximadamente el 10 % de c ), porque los protones se desfasan con el campo eléctrico impulsor. Si se aceleraran más, el haz continuaría describiendo una espiral hacia afuera con un radio mayor, pero las partículas ya no ganarían la velocidad suficiente para completar el círculo mayor al ritmo de la radiofrecuencia aceleradora. Para compensar los efectos relativistas, es necesario aumentar el campo magnético a radios mayores, como se hace en los ciclotrones isócronos . Un ejemplo de ciclotrón isócrono es el ciclotrón del anillo PSI en Suiza, que proporciona protones con una energía de 590  MeV, que corresponde aproximadamente al 80 % de la velocidad de la luz. La ventaja de este ciclotrón radica en la máxima corriente de protones extraída que puede alcanzar, la cual actualmente es de 2,2  mA. La energía y la corriente corresponden a  una potencia de haz de 1,3 MW, la más alta de cualquier acelerador existente en la actualidad.

Sincrociclotrones y ciclotrones isócronos

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

Un ciclotrón clásico puede modificarse para aumentar su límite de energía. El primer enfoque histórico fue el sincrociclotrón , que acelera las partículas en grupos. Utiliza un campo magnético constante.B{\displaystyle B}pero reduce la frecuencia del campo acelerador para mantener las partículas sincronizadas mientras giran en espiral hacia afuera, igualando su frecuencia de resonancia ciclotrónica dependiente de la masa . Este método presenta el inconveniente de una baja intensidad promedio del haz debido al agrupamiento, y también la necesidad de un imán enorme de gran radio y campo constante en la órbita más amplia que exige la alta energía.

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

No se han construido sincrociclotrones desde que se desarrolló el ciclotrón isócrono.

Sincrotrones

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

Para alcanzar energías aún mayores, con masas relativistas que se aproximan o superan la masa en reposo de las partículas (para protones, miles de millones de electronvoltios o GeV ), es necesario utilizar un sincrotrón . Este es un acelerador en el que las partículas se aceleran en un anillo de radio constante. Una ventaja inmediata sobre los ciclotrones es que el campo magnético solo necesita estar presente sobre la región real de las órbitas de las partículas, que es mucho más estrecha que la del anillo. (El ciclotrón más grande construido en EE. UU. tenía un polo magnético de 4,7 m de diámetro , mientras que el diámetro de sincrotrones como el LEP y el LHC es de casi 10 km. La apertura de los dos haces del LHC es del orden de un centímetro). El LHC contiene 16 cavidades de radiofrecuencia, 1232 imanes dipolares superconductores para la dirección del haz y 24 cuadrupolos para el enfoque del haz. [ 26 ] Incluso a este tamaño, el LHC está limitado por su capacidad de dirigir las partículas sin que se desvíen. Se teoriza que este límite se produce a 14 TeV. [ 27 ]   

Sin embargo, dado que el momento de la partícula aumenta durante la aceleración, es necesario incrementar el campo magnético B proporcionalmente para mantener una curvatura constante de la órbita. En consecuencia, los sincrotrones no pueden acelerar partículas de forma continua, como sí lo hacen los ciclotrones, sino que deben operar cíclicamente, suministrando partículas en grupos que se dirigen a un blanco o a un haz externo en "descargas" de haz, generalmente cada pocos segundos.

Dado que los sincrotrones de alta energía realizan la mayor parte de su trabajo con partículas que ya viajan a una velocidad cercana a la de la luz ( c) , el tiempo para completar una órbita del anillo es prácticamente constante, al igual que la frecuencia de los resonadores de cavidad de radiofrecuencia utilizados para impulsar la aceleración.

En los sincrotrones modernos, la apertura del haz es pequeña y el campo magnético no cubre toda el área de la órbita de la partícula como en un ciclotrón, por lo que se pueden separar varias funciones necesarias. En lugar de un imán enorme, se tiene una línea de cientos de imanes de curvatura, que rodean (o están rodeados por) tubos de conexión de vacío. El diseño de los sincrotrones se revolucionó a principios de la década de 1950 con el descubrimiento del concepto de enfoque fuerte . [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] El enfoque del haz se maneja de forma independiente mediante imanes cuadrupolares especializados , mientras que la aceleración en sí se realiza en secciones de radiofrecuencia separadas, de forma bastante similar a los aceleradores lineales cortos. [ 31 ] Además, no es necesario que las máquinas cíclicas sean circulares, sino que el tubo del haz puede tener secciones rectas entre imanes donde los haces pueden colisionar, enfriarse, etc. Esto se ha convertido en una disciplina independiente, llamada "física de haces" u "óptica de haces". [ 32 ]

Los sincrotrones modernos más complejos, como el Tevatron, el LEP y el LHC, pueden depositar los haces de partículas en anillos de imanes con un campo magnético constante, donde pueden seguir orbitando durante largos periodos para experimentación o aceleración adicional. Las máquinas de mayor energía, como el Tevatron y el LHC, son en realidad complejos aceleradores, con una cascada de elementos especializados en serie, que incluyen aceleradores lineales para la creación inicial del haz, uno o más sincrotrones de baja energía para alcanzar una energía intermedia, anillos de almacenamiento donde los haces pueden acumularse o "enfriarse" (reduciendo la apertura del imán necesaria y permitiendo un enfoque más preciso; véase enfriamiento del haz ), y un último anillo grande para la aceleración final y la experimentación.

Segmento de un sincrotrón de electrones en DESY
sincrotrones de electrones

Los aceleradores de electrones circulares cayeron en desuso para la física de partículas aproximadamente en la época en que se construyó el acelerador de partículas lineal de SLAC, debido a que sus pérdidas por sincrotrón se consideraban económicamente prohibitivas y a que la intensidad de su haz era menor que la de las máquinas lineales no pulsadas. El Sincrotrón de Electrones de Cornell , construido a bajo costo a finales de la década de 1970, fue el primero de una serie de aceleradores de electrones circulares de alta energía construidos para la física fundamental de partículas; el último fue el LEP , construido en el CERN, que se utilizó desde 1989 hasta 2000.

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

fuentes de radiación sincrotrón

Se han construido algunos aceleradores circulares para generar deliberadamente radiación (denominada luz de sincrotrón ) en forma de rayos X, también llamados radiación de sincrotrón; por ejemplo, la Fuente de Luz Diamond , construida en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra, o la Fuente Avanzada de Fotones en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois , EE. UU. Los rayos X de alta energía son útiles para la espectroscopia de rayos X de proteínas o la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS), por ejemplo.

La radiación sincrotrón es emitida con mayor potencia por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones . La radiación sincrotrón permite obtener mejores imágenes, como se investigó y desarrolló en el telescopio espacial SPEAR del SLAC .

Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo

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

Rodotrón

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

Un rodotrón es un acelerador de electrones industrial propuesto por primera vez en 1987 por J. Pottier de la Agencia Francesa de Energía Atómica (CEA) , [ 34 ] fabricado por la empresa belga Ion Beam Applications . Acelera electrones haciéndolos circular a través del diámetro de una cavidad de radiofrecuencia cilíndrica. Un rodotrón tiene un cañón de electrones que emite un haz de electrones atraído por un pilar en el centro de la cavidad. El pilar tiene orificios por los que pueden pasar los electrones. El haz de electrones pasa a través del pilar por uno de estos orificios y luego viaja a través de un orificio en la pared de la cavidad, donde encuentra un imán deflector. El haz se desvía y se envía de vuelta a la cavidad, a otro orificio en el pilar. Los electrones vuelven a cruzar el pilar y pasan por otra parte de la pared de la cavidad hacia otro imán deflector, y así sucesivamente, aumentando gradualmente la energía del haz hasta que se le permite salir de la cavidad para su uso. El cilindro y el pilar pueden estar revestidos de cobre en su interior. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]

Historia

El primer ciclotrón de Ernest Lawrence tenía apenas 100 mm  (4 pulgadas  ) de diámetro. Más tarde, en 1939, construyó una máquina con una cara polar de 152 mm (60 pulgadas) de diámetro, y en 1942 planeó otra con un diámetro de 468 mm (184 pulgadas) , que, sin embargo, fue destinada a trabajos relacionados con la Segunda Guerra Mundial , concretamente con la separación de isótopos de uranio ; tras la guerra, continuó en servicio durante muchos años para la investigación y la medicina.

El primer gran sincrotrón de protones fue el Cosmotron del Laboratorio Nacional de Brookhaven , que aceleró protones a unos 3 GeV (1953-1968). El Bevatron de Berkeley, finalizado en 1954, fue diseñado específicamente para acelerar protones a la energía suficiente para crear antiprotones y verificar la simetría partícula-antipartícula de la naturaleza, entonces solo teórica. El Sincrotrón de Gradiente Alterno (AGS) de Brookhaven (1960-) fue el primer gran sincrotrón con gradiente alterno e imanes de " enfoque fuerte ", lo que redujo considerablemente la apertura requerida del haz y, en consecuencia, el tamaño y el coste de los imanes de curvatura. El Sincrotrón de Protones , construido en el CERN (1959-), fue el primer gran acelerador de partículas europeo y, en general, similar al AGS. 

El acelerador lineal de Stanford (SLAC) entró en funcionamiento en 1966, acelerando electrones a 30  GeV en una  guía de ondas de 3 km de longitud, enterrada en un túnel y alimentada por cientos de grandes klistrones . Sigue siendo el acelerador lineal más grande que existe y ha sido modernizado con la adición de anillos de almacenamiento y un colisionador de electrones y positrones. También funciona como fuente de fotones sincrotrón de rayos X y ultravioleta.

El Tevatron de Fermilab tiene un anillo con un recorrido del haz de 6,4 km (4 millas) . Ha recibido varias mejoras y funcionó como un colisionador de protones y antiprotones hasta que fue clausurado debido a recortes presupuestarios el 30 de septiembre de 2011. El acelerador circular más grande jamás construido fue el sincrotrón LEP del CERN, con una circunferencia de 26,6 kilómetros, que era un colisionador de electrones y positrones . Alcanzó una energía de 209 GeV antes de ser desmantelado en el año 2000 para que el túnel pudiera utilizarse para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El LHC es un colisionador de protones y actualmente es el acelerador más grande y de mayor energía del mundo, alcanzando una energía de 6,5 TeV por haz (13 TeV en total).    

El Supercolisionador Superconductor (SSC) abortado en Texas habría tenido una circunferencia de 87  km. Su construcción comenzó en 1991, pero se abandonó en 1993. Los aceleradores circulares de gran tamaño se construyen invariablemente en túneles de pocos metros de ancho para minimizar las molestias y el coste de construir una estructura de este tipo en la superficie, y para proporcionar protección contra las intensas radiaciones secundarias que se producen, las cuales son extremadamente penetrantes a altas energías.

Los aceleradores actuales, como la Fuente de Neutrones por Espalación , incorporan criomódulos superconductores . El Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​y el Gran Colisionador de Hadrones también utilizan imanes superconductores y resonadores de cavidad de radiofrecuencia para acelerar partículas.

Objetivos

La salida de un acelerador de partículas generalmente se puede dirigir hacia múltiples líneas de experimentos, una a la vez, mediante un electroimán desviador . Esto permite realizar varios experimentos sin necesidad de reubicar los equipos ni apagar todo el haz del acelerador. Excepto en el caso de las fuentes de radiación sincrotrón, el propósito de un acelerador es generar partículas de alta energía para interactuar con la materia.

Generalmente se trata de un blanco fijo, como el recubrimiento de fósforo en la parte posterior de la pantalla de un tubo de televisión; un trozo de uranio en un acelerador diseñado como fuente de neutrones; o un blanco de tungsteno para un generador de rayos X. En un acelerador lineal, el blanco simplemente se acopla al extremo del acelerador. La trayectoria de las partículas en un ciclotrón es una espiral que se extiende hacia afuera desde el centro de la máquina circular, por lo que las partículas aceleradas emergen de un punto fijo, al igual que en un acelerador lineal.

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

Una variante comúnmente utilizada en la investigación de física de partículas es el colisionador , también llamado colisionador de anillo de almacenamiento . Se construyen dos sincrotrones circulares muy cerca uno del otro , generalmente uno encima del otro y utilizando los mismos imanes (que, por lo tanto, tienen un diseño más complejo para albergar ambos tubos de haz). Grupos de partículas viajan en direcciones opuestas alrededor de los dos aceleradores y colisionan en las intersecciones entre ellos. Esto puede aumentar enormemente la energía; mientras que en un experimento de blanco fijo la energía disponible para producir nuevas partículas es proporcional a la raíz cuadrada de la energía del haz, en un colisionador la energía disponible es lineal. 

Detectores

Los detectores recopilan información sobre las partículas, incluyendo su velocidad y carga. Con estos datos, los científicos pueden trabajar directamente con la partícula. El proceso de detección es muy complejo y requiere potentes electroimanes y aceleradores para generar suficiente información útil.

Energías superiores

Actualmente, los aceleradores de mayor energía son todos colisionadores circulares, pero tanto los aceleradores de hadrones como los de electrones están alcanzando sus límites. Los aceleradores cíclicos de hadrones e iones de mayor energía requerirán túneles de aceleración de mayor tamaño físico debido a la mayor rigidez del haz .

En el caso de los aceleradores de electrones cíclicos, las pérdidas por radiación sincrotrón imponen un límite al radio de curvatura práctico, y la próxima generación probablemente consistirá en aceleradores lineales diez veces más largos que los actuales. Un ejemplo de este tipo de acelerador de electrones de próxima generación es el propuesto Colisionador Lineal Internacional  de 40 km de longitud .

Se cree que la aceleración por estela de plasma, en forma de "postcombustores" de haz de electrones y pulsadores láser independientes, podría proporcionar aumentos drásticos en la eficiencia con respecto a los aceleradores de radiofrecuencia en un plazo de dos a tres décadas. En los aceleradores de estela de plasma, la cavidad del haz se llena con plasma (en lugar de vacío). Un pulso corto de electrones o luz láser constituye o precede inmediatamente a las partículas que se están acelerando. El pulso perturba el plasma, lo que provoca que las partículas cargadas en el plasma se integren y se muevan hacia la parte posterior del haz de partículas que se está acelerando. Este proceso transfiere energía al haz de partículas, acelerándolo aún más, y continúa mientras el pulso sea coherente. [ 38 ]

Se han logrado gradientes de energía tan pronunciados como 200  GeV/m en distancias de escala milimétrica utilizando pulsadores láser [ 39 ] y  se están produciendo gradientes cercanos a 1 GeV/m en la escala multicentimétrica con sistemas de haz de electrones, en contraste con un límite de aproximadamente 0,1  GeV/m para la aceleración por radiofrecuencia sola. Los aceleradores de electrones existentes, como SLAC, podrían usar postquemadores de haz de electrones para aumentar considerablemente la energía de sus haces de partículas, a costa de la intensidad del haz. Los sistemas de electrones en general pueden proporcionar haces fiables y con una colimación precisa; los sistemas láser pueden ofrecer mayor potencia y compacidad. Por lo tanto, los aceleradores de estela de plasma podrían usarse, si se resuelven los problemas técnicos, tanto para aumentar la energía máxima de los aceleradores más grandes como para llevar altas energías a laboratorios universitarios y centros médicos.

 Se han logrado gradientes superiores a 0,25 GeV/m mediante un acelerador láser dieléctrico, [ 40 ] lo que puede representar otro enfoque viable para construir aceleradores compactos de alta energía. [ 41 ] Utilizando pulsos láser de duración de femtosegundos, se registró un gradiente de aceleración de electrones de 0,69  GeV/m para aceleradores láser dieléctricos. [ 42 ] Gradientes más altos del orden deSe prevén valores de 1 a 6  GeV/m tras optimizaciones adicionales. [ 43 ]

Conceptos avanzados de aceleradores

El concepto de aceleradores avanzados abarca métodos de aceleración de haces con gradientes superiores a los de las instalaciones operativas actuales. Esto incluye métodos de diagnóstico, tecnología de sincronización, necesidades especiales para inyectores, acoplamiento de haces, dinámica de haces y desarrollo de simulaciones adecuadas. Se están celebrando talleres dedicados a este tema en EE. UU. (en ubicaciones alternas) y en Europa, principalmente en la isla de Elba . La serie de talleres sobre conceptos avanzados de aceleradores, celebrada en EE. UU., [ 44 ] comenzó como una serie internacional en 1982. [ 45 ] La serie de talleres europeos sobre conceptos avanzados de aceleradores comenzó en 2019. [ 46 ] Temas relacionados con conceptos avanzados de aceleradores:

Según el problema de dispersión inversa , cualquier mecanismo por el cual una partícula produce radiación (donde la energía cinética de la partícula se transfiere al campo electromagnético ) puede invertirse de manera que el mismo mecanismo de radiación conduzca a la aceleración de la partícula (la energía del campo de radiación se transfiere a la energía cinética de la partícula). Lo contrario también es cierto: cualquier mecanismo de aceleración puede invertirse para depositar la energía de la partícula en un campo de desaceleración, como en un sistema de recuperación de energía cinética . Esta es la idea que permite el funcionamiento de un acelerador lineal de recuperación de energía . Este principio, que también subyace a los aceleradores de plasma o de estela dieléctrica, ha dado lugar a otros desarrollos interesantes en conceptos avanzados de aceleradores.

Producción de agujeros negros y preocupaciones de seguridad pública

En el futuro, la posibilidad de producción de agujeros negros en los aceleradores de energía más altos puede surgir si ciertas predicciones de la teoría de supercuerdas son precisas. [ 50 ] [ 51 ] Esta y otras posibilidades han llevado a preocupaciones de seguridad pública que han sido ampliamente reportadas en relación con el LHC , que comenzó a operar en 2008. Los diversos escenarios peligrosos posibles han sido evaluados como presentando "ningún peligro concebible" en la última evaluación de riesgos producida por el Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC. [ 52 ] Si se producen agujeros negros, se predice teóricamente que tales agujeros negros pequeños deberían evaporarse extremadamente rápido a través de la radiación de Bekenstein-Hawking , pero esto hasta ahora no está confirmado experimentalmente. Si los colisionadores pueden producir agujeros negros, los rayos cósmicos (y particularmente los rayos cósmicos de ultra alta energía , UHECR) deben haberlos estado produciendo durante eones, pero hasta ahora no han dañado a nadie. [ 53 ] Se ha argumentado que, para conservar la energía y el momento, cualquier agujero negro creado en una colisión entre un UHECR y materia local se produciría necesariamente moviéndose a velocidad relativista con respecto a la Tierra, y debería escapar al espacio, ya que su tasa de acreción y crecimiento debería ser muy lenta, mientras que los agujeros negros producidos en colisionadores (con componentes de igual masa) tendrían alguna posibilidad de tener una velocidad menor que la velocidad de escape de la Tierra, 11,2  km por segundo, y serían susceptibles de captura y crecimiento posterior. Sin embargo, incluso en tales escenarios, las colisiones de UHECR con enanas blancas y estrellas de neutrones conducirían a su rápida destrucción, pero se observa que estos cuerpos son objetos astronómicos comunes. Por lo tanto, si se produjeran microagujeros negros estables, deben crecer demasiado lentamente como para causar efectos macroscópicos perceptibles dentro de la vida natural del sistema solar. [ 52 ]

Operador del acelerador

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

Véase también

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