Un acelerador de partículas es un dispositivo que crea un haz de partículas atómicas o subatómicas cargadas eléctricamente que se mueven a velocidades cercanas a la luz. Su trabajo se basa en un aumento de su energía por un campo eléctrico y un cambio en la trayectoria - por uno magnético.
¿Para qué sirven los aceleradores de partículas?
Estos dispositivos son ampliamente utilizados en varios campos de la ciencia y la industria. Hoy en día, hay más de 30 mil de ellos en todo el mundo. Para un físico, los aceleradores de partículas sirven como herramienta para la investigación fundamental de la estructura de los átomos, la naturaleza de las fuerzas nucleares y las propiedades de los núcleos que no se dan en la naturaleza. Estos últimos incluyen transuranio y otros elementos inestables.
Con la ayuda de un tubo de descarga, fue posible determinar la carga específica. Los aceleradores de partículas también se utilizan en la producción de radioisótopos, en radiografía industrial, en radioterapia, en la esterilización de materiales biológicos y en radiocarbono.análisis. Las instalaciones más grandes se utilizan en el estudio de las interacciones fundamentales.
La vida útil de las partículas cargadas en reposo en relación con el acelerador es menor que la de las partículas aceleradas a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Esto confirma la relatividad de los intervalos de tiempo de SRT. Por ejemplo, en el CERN, se logró multiplicar por 29 la vida útil de los muones a una velocidad de 0,9994c.
Este artículo analiza cómo funciona un acelerador de partículas, su desarrollo, diferentes tipos y características distintivas.
Principios de aceleración
Independientemente de los aceleradores de partículas que conozca, todos tienen elementos comunes. Primero, todos deben tener una fuente de electrones en el caso de un cinescopio de televisión, o de electrones, protones y sus antipartículas en el caso de instalaciones más grandes. Además, todos deben tener campos eléctricos para acelerar las partículas y campos magnéticos para controlar su trayectoria. Además, el vacío en el acelerador de partículas (10-11 mm Hg), es decir, la mínima cantidad de aire residual, es necesario para garantizar una larga vida útil de las vigas. Y, finalmente, todas las instalaciones deben disponer de medios para registrar, contar y medir las partículas aceleradas.
Generación
Los electrones y los protones, que se utilizan con mayor frecuencia en los aceleradores, se encuentran en todos los materiales, pero primero deben aislarse de ellos. Los electrones generalmente se generancomo en un cinescopio, en un dispositivo llamado "pistola". Es un cátodo (electrodo negativo) en el vacío, que se calienta hasta el punto en que los electrones comienzan a separarse de los átomos. Las partículas cargadas negativamente son atraídas por el ánodo (electrodo positivo) y pasan a través de la salida. La pistola en sí es también el acelerador más simple, ya que los electrones se mueven bajo la influencia de un campo eléctrico. El voltaje entre el cátodo y el ánodo suele estar entre 50 y 150 kV.
Además de electrones, todos los materiales contienen protones, pero solo los núcleos de los átomos de hidrógeno consisten en protones individuales. Por lo tanto, la fuente de partículas para los aceleradores de protones es el hidrógeno gaseoso. En este caso, el gas se ioniza y los protones escapan por el orificio. En los grandes aceleradores, los protones a menudo se producen como iones de hidrógeno negativos. Son átomos con un electrón extra, que son producto de la ionización de un gas diatómico. Es más fácil trabajar con iones de hidrógeno cargados negativamente en las etapas iniciales. Luego pasan a través de una lámina delgada que los priva de electrones antes de la etapa final de aceleración.
Aceleración
¿Cómo funcionan los aceleradores de partículas? La característica clave de cualquiera de ellos es el campo eléctrico. El ejemplo más simple es un campo estático uniforme entre los potenciales eléctricos positivo y negativo, similar al que existe entre los terminales de una batería eléctrica. De talcampo, un electrón que lleva una carga negativa está sujeto a una fuerza que lo dirige hacia un potencial positivo. Ella lo acelera, y si no hay nada que lo impida, su velocidad y energía aumentan. Los electrones que se mueven hacia un potencial positivo en un cable o incluso en el aire chocan con los átomos y pierden energía, pero si están en el vacío, se aceleran a medida que se acercan al ánodo.
La tensión entre la posición inicial y final de un electrón determina la energía que adquiere. Cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de 1 V, es igual a 1 electrón voltio (eV). Esto es equivalente a 1,6 × 10-19 julios. La energía de un mosquito volador es un billón de veces mayor. En un cinescopio, los electrones son acelerados por un voltaje de más de 10 kV. Muchos aceleradores alcanzan energías mucho más altas, medidas en megavoltios, gigavoltios y teraelectronvoltios.
Variedades
Algunos de los primeros tipos de aceleradores de partículas, como el multiplicador de voltaje y el generador de Van de Graaff, usaban campos eléctricos constantes generados por potenciales de hasta un millón de voltios. No es fácil trabajar con voltajes tan altos. Una alternativa más práctica es la acción repetitiva de campos eléctricos débiles generados por potenciales bajos. Este principio se utiliza en dos tipos de aceleradores modernos: lineales y cíclicos (principalmente en ciclotrones y sincrotrones). Los aceleradores de partículas lineales, en resumen, las pasan una vez a través de una secuenciacampos acelerantes, mientras que en el cíclico se mueven repetidamente a lo largo de una trayectoria circular a través de campos eléctricos relativamente pequeños. En ambos casos, la energía final de las partículas depende del efecto combinado de los campos, por lo que muchos pequeños "shocks" se suman para dar el efecto combinado de uno grande.
La estructura repetitiva de un acelerador lineal para crear campos eléctricos naturalmente implica el uso de voltaje de CA en lugar de CC. Las partículas cargadas positivamente son aceleradas hacia el potencial negativo y adquieren un nuevo impulso si pasan por el positivo. En la práctica, el voltaje debería cambiar muy rápidamente. Por ejemplo, a una energía de 1 MeV, un protón viaja a velocidades muy altas de 0,46 la velocidad de la luz, recorriendo 1,4 m en 0,01 ms. Esto significa que en un patrón repetitivo de varios metros de largo, los campos eléctricos deben cambiar de dirección a una frecuencia de al menos 100 MHz. Los aceleradores lineales y cíclicos de partículas cargadas, por regla general, las aceleran utilizando campos eléctricos alternos con una frecuencia de 100 a 3000 MHz, es decir, desde ondas de radio hasta microondas.
Una onda electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos alternos que oscilan perpendicularmente entre sí. El punto clave del acelerador es ajustar la onda para que cuando llegue la partícula, el campo eléctrico se dirija de acuerdo con el vector de aceleración. Esto se puede hacer con una onda estacionaria, una combinación de ondas que viajan en direcciones opuestas en un circuito cerrado.espacio, como ondas sonoras en un tubo de órgano. Una alternativa para los electrones que se mueven muy rápido y se acercan a la velocidad de la luz es una onda viajera.
Autofase
Un efecto importante cuando se acelera en un campo eléctrico alterno es la "autofase". En un ciclo de oscilación, el campo alterno va de cero a través de un valor máximo nuevamente a cero, cae a un mínimo y sube a cero. Entonces pasa por el valor necesario para acelerar dos veces. Si la partícula acelerada llega demasiado pronto, no se verá afectada por un campo de fuerza suficiente y el empuje será débil. Cuando llegue a la siguiente sección, llegará tarde y experimentará un impacto más fuerte. Como resultado, ocurrirá la autofase, las partículas estarán en fase con el campo en cada región acelerada. Otro efecto sería agruparlos con el tiempo en grupos en lugar de un flujo continuo.
Dirección del haz
Los campos magnéticos también juegan un papel importante en el funcionamiento de un acelerador de partículas cargadas, ya que pueden cambiar la dirección de su movimiento. Esto significa que se pueden usar para "doblar" las vigas a lo largo de una trayectoria circular para que pasen por la misma sección de aceleración varias veces. En el caso más simple, una partícula cargada que se mueve en ángulo recto con la dirección de un campo magnético uniforme está sujeta a una fuerzaperpendicular tanto al vector de su desplazamiento como al campo. Esto provoca que el haz se desplace a lo largo de una trayectoria circular perpendicular al campo hasta que sale de su área de acción o comienza a actuar otra fuerza sobre él. Este efecto se utiliza en aceleradores cíclicos como el ciclotrón y el sincrotrón. En un ciclotrón, un gran imán genera un campo constante. Las partículas, a medida que crece su energía, giran en espiral hacia afuera, acelerando con cada revolución. En un sincrotrón, los racimos se mueven alrededor de un anillo con un radio constante y el campo creado por los electroimanes alrededor del anillo aumenta a medida que las partículas se aceleran. Los imanes de "flexión" son dipolos con los polos norte y sur doblados en forma de herradura para que el haz pueda pasar entre ellos.
La segunda función importante de los electroimanes es concentrar los rayos para que sean lo más estrechos e intensos posible. La forma más simple de un imán de enfoque es con cuatro polos (dos norte y dos sur) uno frente al otro. Empujan las partículas hacia el centro en una dirección, pero les permiten propagarse en la dirección perpendicular. Los imanes de cuadrupolo enfocan el haz horizontalmente, lo que permite que se desenfoque verticalmente. Para hacer esto, deben usarse en parejas. También se utilizan imanes más complejos con más polos (6 y 8) para un enfoque más preciso.
A medida que aumenta la energía de las partículas, aumenta la fuerza del campo magnético que las guía. Esto mantiene el haz en el mismo camino. El coágulo se introduce en el anillo y se acelera hastaenergía requerida antes de que pueda ser retirada y utilizada en experimentos. La retracción se logra mediante electroimanes que se encienden para empujar las partículas fuera del anillo de sincrotrón.
Colisión
Los aceleradores de partículas utilizados en la medicina y la industria producen principalmente un haz para un propósito específico, como la radioterapia o la implantación de iones. Esto significa que las partículas se utilizan una vez. Durante muchos años, lo mismo sucedió con los aceleradores utilizados en la investigación básica. Pero en la década de 1970 se desarrollaron anillos en los que los dos haces circulan en direcciones opuestas y chocan a lo largo de todo el circuito. La principal ventaja de tales instalaciones es que en una colisión frontal, la energía de las partículas pasa directamente a la energía de interacción entre ellas. Esto contrasta con lo que sucede cuando el haz choca con el material en reposo: en este caso, la mayor parte de la energía se gasta en poner en movimiento el material objetivo, de acuerdo con el principio de conservación del momento.
Algunas máquinas de haz en colisión están construidas con dos anillos que se cruzan en dos o más lugares, en los que las partículas del mismo tipo circulan en direcciones opuestas. Los colisionadores con partículas y antipartículas son más comunes. Una antipartícula tiene la carga opuesta a su partícula asociada. Por ejemplo, un positrón tiene carga positiva, mientras que un electrón tiene carga negativa. Esto significa que el campo que acelera al electrón frena al positrón,moviéndose en la misma dirección. Pero si este último se mueve en la dirección opuesta, acelerará. De manera similar, un electrón que se mueve a través de un campo magnético se doblará hacia la izquierda y un positrón se doblará hacia la derecha. Pero si el positrón se mueve hacia él, su camino seguirá desviándose hacia la derecha, pero siguiendo la misma curva que el electrón. Juntos, esto significa que estas partículas pueden moverse a lo largo del anillo de sincrotrón debido a los mismos imanes y ser aceleradas por los mismos campos eléctricos en direcciones opuestas. Muchos de los colisionadores más poderosos en haces en colisión se han creado de acuerdo con este principio, ya que solo se requiere un anillo acelerador.
El rayo en el sincrotrón no se mueve continuamente, sino que se combina en "grupos". Pueden tener varios centímetros de largo y una décima de milímetro de diámetro, y contienen alrededor de 1012 partículas. Esta es una densidad pequeña, ya que una sustancia de este tamaño contiene alrededor de 1023 átomos. Por lo tanto, cuando los rayos se cruzan con los rayos que se aproximan, solo hay una pequeña posibilidad de que las partículas interactúen entre sí. En la práctica, los racimos continúan moviéndose a lo largo del anillo y se encuentran nuevamente. El vacío profundo en el acelerador de partículas (10-11 mmHg) es necesario para que las partículas puedan circular durante muchas horas sin colisionar con las moléculas de aire. Por lo tanto, los anillos también se denominan acumulativos, ya que los paquetes se almacenan en ellos durante varias horas.
Registrarse
Los aceleradores de partículas en su mayor parte pueden registrar lo que sucede cuandocuando las partículas golpean un objetivo u otro haz que se mueve en la dirección opuesta. En un cinescopio de televisión, los electrones de una pistola golpean un fósforo en la superficie interior de la pantalla y emiten luz, que así recrea la imagen transmitida. En los aceleradores, estos detectores especializados responden a partículas dispersas, pero por lo general están diseñados para generar señales eléctricas que pueden convertirse en datos informáticos y analizarse mediante programas informáticos. Solo los elementos cargados crean señales eléctricas al pasar a través de un material, por ejemplo, al excitar o ionizar átomos, y pueden detectarse directamente. Las partículas neutras, como los neutrones o los fotones, pueden detectarse indirectamente a través del comportamiento de las partículas cargadas que ponen en movimiento.
Hay muchos detectores especializados. Algunos de ellos, como el contador Geiger, simplemente cuentan partículas, mientras que otros se utilizan, por ejemplo, para registrar pistas, medir la velocidad o medir la cantidad de energía. Los detectores modernos varían en tamaño y tecnología, desde pequeños dispositivos de carga acoplada hasta grandes cámaras llenas de gas llenas de cables que detectan las estelas ionizadas creadas por partículas cargadas.
Historia
Los aceleradores de partículas se desarrollaron principalmente para estudiar las propiedades de los núcleos atómicos y las partículas elementales. Desde el descubrimiento de la reacción entre el núcleo de nitrógeno y la partícula alfa por el físico británico Ernest Rutherford en 1919, toda la investigación en física nuclear hasta1932 se pasó con núcleos de helio liberados por la descomposición de elementos radiactivos naturales. Las partículas alfa naturales tienen una energía cinética de 8 MeV, pero Rutherford creía que para observar la descomposición de los núcleos pesados, debían acelerarse artificialmente a valores aún mayores. En ese momento parecía difícil. Sin embargo, un cálculo realizado en 1928 por Georgy Gamow (en la Universidad de Göttingen, Alemania) mostró que se podían usar iones con energías mucho más bajas, y esto estimuló los intentos de construir una instalación que proporcionara un haz suficiente para la investigación nuclear.
Otros eventos de este período demostraron los principios por los cuales se construyen los aceleradores de partículas hasta el día de hoy. Los primeros experimentos exitosos con iones acelerados artificialmente fueron realizados por Cockcroft y W alton en 1932 en la Universidad de Cambridge. Usando un multiplicador de voltaje, aceleraron protones a 710 keV y demostraron que estos últimos reaccionan con el núcleo de litio para formar dos partículas alfa. En 1931, en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey, Robert van de Graaff había construido el primer generador electrostático de correa de alto potencial. Los multiplicadores de tensión de Cockcroft-W alton y los generadores de Van de Graaff todavía se utilizan como fuentes de energía para los aceleradores.
El principio de un acelerador resonante lineal fue demostrado por Rolf Wideröe en 1928. En la Universidad Tecnológica de Rhine-Westphalian en Aquisgrán, Alemania, usó un alto voltaje alterno para acelerar los iones de sodio y potasio al doble de energíassuperando los reportados por ellos. En 1931 en los Estados Unidos, Ernest Lawrence y su asistente David Sloan de la Universidad de California, Berkeley, utilizaron campos de alta frecuencia para acelerar los iones de mercurio a energías superiores a 1,2 MeV. Este trabajo complementó el acelerador de partículas pesadas Wideröe, pero los haces de iones no fueron útiles en la investigación nuclear.
El acelerador de resonancia magnética, o ciclotrón, fue concebido por Lawrence como una modificación de la instalación de Wideröe. El alumno de Lawrence Livingston demostró el principio del ciclotrón en 1931 al producir iones de 80 keV. En 1932, Lawrence y Livingston anunciaron la aceleración de protones a más de 1 MeV. Más tarde, en la década de 1930, la energía de los ciclotrones alcanzó unos 25 MeV y la de los generadores de Van de Graaff alcanzó unos 4 MeV. En 1940, Donald Kerst, aplicando los resultados de cuidadosos cálculos orbitales al diseño de imanes, construyó el primer betatrón, un acelerador de electrones de inducción magnética, en la Universidad de Illinois.
Física moderna: aceleradores de partículas
Después de la Segunda Guerra Mundial, la ciencia de acelerar partículas a altas energías progresó rápidamente. Fue iniciado por Edwin Macmillan en Berkeley y Vladimir Veksler en Moscú. En 1945, ambos describieron de forma independiente el principio de estabilidad de fase. Este concepto ofrece un medio para mantener órbitas de partículas estables en un acelerador cíclico, lo que eliminó la limitación de la energía de los protones y permitió crear aceleradores de resonancia magnética (sincrotrones) para electrones. Autophasing, la implementación del principio de estabilidad de fase, se ha confirmado después de la construcción.un pequeño sincrociclotrón en la Universidad de California y un sincrotrón en Inglaterra. Poco después, se creó el primer acelerador resonante lineal de protones. Este principio se ha utilizado en todos los grandes sincrotrones de protones construidos desde entonces.
En 1947, William Hansen, de la Universidad de Stanford en California, construyó el primer acelerador lineal de electrones de onda viajera utilizando tecnología de microondas que se desarrolló para el radar durante la Segunda Guerra Mundial.
El aumento de la energía de los protones hizo posible el progreso en la investigación, lo que condujo a la construcción de aceleradores cada vez más grandes. Esta tendencia se ha detenido por el alto costo de fabricar imanes de anillo enormes. El más grande pesa unas 40.000 toneladas. Livingston, Courant y Snyder demostraron en 1952 formas de aumentar la energía sin aumentar el tamaño de las máquinas en la técnica de enfoque alterno (a veces llamado enfoque fuerte). Los sincrotrones basados en este principio utilizan imanes 100 veces más pequeños que antes. Tal enfoque se usa en todos los sincrotrones modernos.
En 1956, Kerst se dio cuenta de que si dos conjuntos de partículas se mantuvieran en órbitas que se cruzan, podrían observarse colisionando. La aplicación de esta idea requería la acumulación de haces acelerados en ciclos llamados almacenamiento. Esta tecnología hizo posible lograr la máxima energía de interacción de las partículas.
