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.

Los aceleradores de partículas imitan, en cierta forma, la acción de los rayos cósmicos sobre la atmósfera terrestre, lo cual produce al azar una lluvia de partículas exóticas e inestables. Sin embargo, los aceleradores prestan un entorno mucho más controlado para estudiar estas partículas generadas, y su proceso de desintegración.

Ese estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro útil para el desarrollo de la medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, etcétera

Aceleradores de altas energías

Aceleradores de altas energías

[editar] Aceleradores lineales

Artículo principal: Acelerador lineal.

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.

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. 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.

Acelerador linealDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a: navegación, búsqueda

Un acelerador lineal, muchas veces llamado linac por las primeras sílabas de su nombre en inglés (linear accelerator) es un dispositivo eléctrico para la aceleración de partículas que posean carga eléctrica, tales como los electrones, positrones, protones o iones. La aceleración se produce por incrementos, al atravesar las partículas una secuencia de campos eléctricos alternos.1

El concepto teórico del acelerador lineal usando un campo oscilatorio de radiofrecuencias fue concebido en 1924 por el físico sueco Gustaf Ising. Influenciado por esta idea, el ingeniero noruego Rolf Widerøe construyó el primero, con el que pudo acelerar iones de potasio hasta una energía de 50 000 eV. La aparición de generadores más potentes de radiofrecuencias, desarrollados para los radares durante la Segunda Guerra Mundial supuso un avance importante en el diseño de los aceleradores lineales, al posibilitar la aceleración de partículas más ligeras, como los protones y electrones. En 1946 Luis Álvarez diseñó un acelerador de 875 m de longitud emplazado en una cavidad resonante, capaz de acelerar protones hasta alcanzar una energía de 800 MeV. El acelerador lineal de mayor longitud, con 3.2 km, se encuentra en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, California.1 2

Los aceleradores lineales se utilizan en la física de partículas y para la producción de radiación para el estudio de la estructura y propiedades de la materia. También tienen aplicaciones prácticas en la industria de semiconductores y la medicina.1 2

Índice

[ocultar] 1 Desarrollo del acelerador lineal

o 1.1 Componentes

2 Ventajas y desventajas del acelerador lineal

3 Aplicaciones de los aceleradores lineales

4 Véase también

5 Referencias

6 Enlaces externos

[editar] Desarrollo del acelerador lineal

Principo de construcción de un acelerador lineal según Ising y Wideröe.

Los primeros aceleradores de partículas con carga eléctrica se basaban en la aplicación de un voltaje continuo; la energía máxima que alcanzan las partículas en este tipo de acelerador es igual al voltaje multiplcado por su carga. La principal limitación de este diseño es que, al aumentar el voltaje hasta unas decenas de megavoltios, se produce una descarga eléctrica en el medio. Por este motivo se buscaron alternativas a este modo de operación.3 Gustav Ising sugirió el uso de un voltaje alternante y Rolf Widerøe desarrolló tal concepto por primera vez en el año 1928.4 5

Este tipo de acelerador se compone de un número variable de tubos cilíndricos. Los tubos alternos están conectados entre sí, de tal modo que se aplique una diferencia de potencial oscilante entre los dos conjuntos de tubos. Debido a esta diferencia de potencial, las partículas cargadas experimentan una aceleración en el espacio entre los tubos; una vez que penetran en el tubo, este actúa como una caja de Faraday, aislándolas del campo eléctrico oscilante hasta que emergen en el otro extremo, donde experimentan un nuevo empuje. El tiempo que tardan las partículas en atravesar el tubo debe ser constante para mantenerse sincronizado con el período de oscilación del campo eléctrico. Como la velocidad de las partículas se incrementa a medida que viajan a lo largo del acelerador, los tubos deben tener mayor longitud a mayor distancia de la fuente.1 Los primeros aceleradores de este tipo funcionaban bien con partículas pesadas como iones, pero eran incapaces de impartir altas energías a partículas subatómicas como protones o electrones. Debido a su poca masa, estas partículas alcanzan una velocidad cercana a la de la luz y se requiere un campo oscilante a frecuencias del orden de gigaherzios.3 Los klistrones, aparatos inventados en 1937 y capaces de generar estas radiofrecuencias se empezaron a emplear para usos no militares al finalizar la Segunda Guerra Mundial. Al mismo tiempo, Luis Álvarez, junto con otros colaboradores de la Universidad de California, propuso emplazar el acelerador en una cavidad resonante para confinar el campo electromagnético y limitar las pérdidas por radiación.2 Este diseño, con algunas modificaciones, se suele usar para aceleradores de protones.6

En los años 60 se introdujo un nuevo diseño en el Laboratorio Nacional de Los Alamos conocido como SCL (Side Coupling Linac) o 'Linac de acoplamiento lateral'. Este tipo de acelerador se compone de múltiples cavidades resonates acopladas. Las cavidades a lo

largo del haz de partículas se denominan cavidades aceleradoras; cada par adyacente de cavidades aceleradoras, de fases opuestas entre sí, cuentan con una cavidad de acoplo lateral que contribuye a la estabilización del campo electromagnético en los aceleradores de mayor longitud. Este tipo de aceleradores puede usar klistrones de gran potencia y se usan predominantemente para la aceleración de partículas a velocidades mayores que un medio de la velocidad de la luz.2 En los años 80 se propuso el uso de materiales superconductores en los componentes de los aceleradores. Esta tecnología se usa predominante en los aceleradores de gran tamaño que operan a altas energías, como los láseres de electrones libres y los linacs de Recuperación de Energía.6

[editar] Componentes

Klistrón

Un acelerador de partículas líneal moderno cuenta con los siguientes elementos:

Una fuente de partículas: la fuente depende primordialmente del tipo de acelerador. Para los aceleradores de electrones se pueden utilizar cátodos termoiónicos, en los que los electrones se separan de los átomos al calentar el material,7 cátodos fríos 8 o fotocátodos excitados por un láser, que resultan en un haz más concentrado y menos divergente.9 Las fuentes de protones e iones son muy diversas; estas partículas se suelen extraer de un plasma, generado, por ejemplo, a partir de una descarga o radiación de microondas aplicados a un gas.10 11

Una fuente de alto voltaje para la inyección inicial de las partículas. El inyector puede ser de voltaje continuo o alterno. En los aceleradores de iones se usan cuadrupolos magnéticos operados a radiofrecuencias, para mantener el haz enfocado a bajas energías.6

Una estructura hueca que alberga las componentes del acelerador y que debe mantenerse a un alto nivel de vacío, entre 10-6 y 10-9 Torr, para limitar la

desaceleración de las partículas y pérdidas de energía.6 Su longitud depende de las aplicaciones y varía entre 1 o 2 m y kilómetros.

Electrodos cilíndricos aislados eléctricamente. Su longitud depende de la distancia en el tubo, así como del tipo de partícula a acelerar y de la potencia y la frecuencia del voltaje aplicado. Los segmentos más cortos están cerca de la fuente y los más largos, al otro extremo.12

Fuentes de voltaje alterno, que van a alimentar a los electrodos. El uso de klistrones para amplificar la señal electromagnética es indispensable para los aceleradores de alta potencia. Aunque los tubos de vacío han quedado obsoletos para la mayoría de las aplicaciones para las que se desarrollaron inicialmente, no existe una alternativa capaz de generar la misma potencia a longitudes de onda del orden de milímetros.13

Se pueden requerir lentes magnéticas y eléctricas adicionales para mantener el haz focalizado en el centro del tubo y los elementos aceleradores, sobre todo en aceleradores de protones e iones.6 14

Los aceleradores muy largos pueden precisar el alineamiento de sus componentes mediante servos y un haz de láser como guía.15

[editar] Ventajas y desventajas del acelerador lineal

Los aceleradores lineales generan un haz de partículas cargadas de intenso, a alta energía y un rango de características que lo convierten en un instrumento idóneo para múltiples aplicaciones. Es posible obtener haces de pequeño tamaño, colimado, de pulsos concentrados en el tiempo o con baja distribución de energías. Entre las ventajas de este tipo de aceleradores se cuentan las siguientes:2

El haz atraviesa el acelerador una vez, lo que evita efectos de resonancia destructiva.

El haz viaja en línea recta, por lo cual no se producen pérdidas de energía por radiación sincrotrón.

No se precisan de dispositivos complicados para inyectar y extraer el haz.

Puede producir haces pulsados u operar a onda continua.

La principal desventaja del acelerador lineal es que, para conseguir impartir energías altas, es necesario aumentar el número de elementos de aceleración, con el consiguiente incremento en los costes de construcción. En contraste, en los aceleradores circulares, las partículas atraviesan la cavidad de radiofrecuencias un número indefinido de veces.16

[editar] Aplicaciones de los aceleradores lineales

Vista aérea del acelerador linear de Stanford. Este acelerador, utilizado durante años para experimentos de física de partículas, es el inyector de electrones para el láser de electrones libres LCLS.

Existe una gran variedad de aceleradores lineales, dedicados a diferentes propósitos. Se utilizan como inyectores de partículas en los sincrotrones, tanto dedicados a los estudios de física de partículas como a producir radiación sincrotrón para el estudio de materiales y otras aplicaciones prácticas.17 También se pueden utilizar para este propósito en los láseres de electrones. Los aceleradores lineales de alta energía como el acelerador lineal de Stanford, en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC18 y el colisionador lineal en DESY(Sincrotrón Alemán de Electrones)19 permiten obtener luz láser de rayos-X.

Los aceleradores lineales se pueden usar para administrar terapia contra tumores cancerígenos,20 para la caracterización y el estudio de materiales biológicos e inorgánicos, y en procesos de fabricación industrales, por ejemplo en microelectrónica.21

Los aceleradores lineares han desempeñado un papel importante en la investigación de física de alta partículas. Por la alta energía requerida para estos estudios, los aceleradores en funcionamiento en la primera década del siglo XXI son predominantemente circulares, como el gran colisionador de hadrones en el CERN. Sin embargo, en la siguiente generación de aceleradores se volverá a utilizar el diseño lineal: existen planes para construir el colisionador lineal internacional (ILC), de 35 km de longitud y el colisionador lineal compacto (CLIC).22

[editar] 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 o el Tevatrón se utilizan en experimentos de física de partículas.

[editar] 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. Aun así las velocidades que se alcanzan son bastantes 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.

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

[editar] Sincrotrón

Artículo principal: Sincrotrón.

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.

SincrotrónDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a: navegación, búsqueda

Esquema de un sincrotrón

El sincrotrón es un tipo de acelerador de partículas. Se diferencia de otros aceleradores en que las partículas se mantienen en una órbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron del ciclotrón, que usa un campo magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas, aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras que en el sincrotrón ambos campos varían. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotón emitida por las partículas al girar es igual a la energía suministrada. Los sincrotrones también se utilizan para mantener las partículas circulando a una energía fija; en este casos reciben el nombre de «anillos de almacenamiento».

Los sincrotrones pueden usarse como colisionadores de partículas. En este tipo de sincrotrones, dos haces de partículas diferentes se aceleran en direcciones opuestas para estudiar los productos de su colisión. En otros sincrotrones se mantiene un haz de partículas de un solo tipo circulando indefinidamente a una energía fija, usándose como fuentes de luz sincrotrón para estudiar materiales a resolución del orden del radio atómico, en medicina y en procesos de manufactura y caracterización de materiales. Un tercer uso de los sincrotrones es como pre-acelerador de las partículas antes de su inyección en un anillo de almacenamiento. Estos sincrotrones se conocen como boosters («aceleradores»).

Índice

[ocultar] 1 Desarrollo 2 Componentes

o 2.1 Fuente de partículas

o 2.2 Aceleradores auxiliares: LINACS y boosters

o 2.3 Cavidades de radiofrecuencia

o 2.4 Elementos magnéticos

o 2.5 Líneas de luz sincrotrón

3 Aplicaciones

o 3.1 Estudio de partículas subatómicas

o 3.2 Estudio de materiales

4 Véase también

5 Notas

6 Referencias

7 Enlaces externos

[editar] Desarrollo

Esquema de funcionamiento de un ciclotrón, el precursor del sincrotrón. El campo magnético es uniforme y se aplica en la dirección perpendicular a la órbita de las partículas. Las partículas se aceleran desde cero cada vez que atraviesan el campo magnético y describen una espiral cuyo radio aumenta hasta que emergen del acelerador.

El ciclotrón, concebido por el físico austro-húngaro Leó Szilárd en 1929, se puede considerar el precursor del sincrotrón. El ciclotrón usa un campo magnético estático para curvar la trayectoria de las partículas y un campo eléctrico oscilante de frecuencia fija para acelerarlas en un punto de su trayectoria. A medida de que las partículas aumentan su velocidad, el radio de su órbita aumenta, por lo cual describen una espiral.1 Ernest Lawrence diseñó y construyó el primer ciclotrón,2 puesto en marcha por vez primera a finales de 1931. Esta máquina no era adecuada para la aceleración de partículas relativistas, cuya masa aumenta al aproximarse su velocidad a la de la luz, lo que causa un desfasaje con respecto a la oscilación del voltaje acelerador.3

En 1934, Szilárd describió el principio de estabilidad de fase,1 fundamental en el diseño del sincrotrón. En 1945, el estadounidense Edwin McMillan y el soviético Vladimir Veksler propusieron, independientemente, un acelerador basado en este principio, variando la frecuencia del campo eléctrico a medida que la partícula incrementa su energía.4 De este modo, las partículas reciben una cantidad de energía inversamente proporcional a su velocidad, lo que resulta en un haz estable donde las partículas viajan, en promedio, a la velocidad apropiada.5 Usando este principio, Lawrence, McMillan y otros miembros de su grupo transformaron el cyclotrón de Berkeley en un sincrociclotrón en 1946. Este aparato llegó a a acelerar protones hasta 740 MeV e iones de Helio a 920 MeV.6 El Phasotron, un sincrociclotrón para electrones construido por Veksler en Dubná alcanzó los 10 GeV.

Ilustración del principio de estabilidad de fase en el sincrotrón: la función periódica U(t) representa el campo eléctrico oscilatorio. Los tres puntos sobre la gráfica representan tres partículas viajando a velocidades ligeramente distintas. La partícula del centro alcanza el campo con la fase «óptima» W0, entre 90 y 180°. La partícula que llega ligeramente por delante recibe menos energía del campo, y la que llega por detrás, más, de tal modo que las fases permanecen concentradas alrededor de W0.

La máxima energía de los sincrociclotrones está dictada por el radio máximo de la órbita de las partículas, que no podían acelerarse más una vez alcanzado este

punto. En 1949, MacMillan construyó el primer sincrotrón de electrones, incrementando la magnitud del campo magnético en sincronía con la velocidad del los electrones y consiguiendo así mantener a estos en una órbita fija cerrada y acelerarlos hasta una energía de 300 MeV.4 El primer sincrotón de protones fue el Cosmotrón, diseñado en 1948 y construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. El Cosmotrón comenzó a funcionar a la energía de 3.3 GeV a principios de 1953.7 En 1952, varios de los colaboradores en el diseño y construcción del Cosmotrón publicaron una idea para aumentar la eficiencia de los sincrotrones alternando lentes magnéticas convergentes y divergentes —campo magnético de gradiente alternado— para focalizar el haz de partículas a lo largo de toda su trayectoria,8 9 idea patentada ya en 1950 por Nicholas Christofilos.10 Esta idea fue inmediatamente incorporada al diseño del sincrotrón de protones del CERN, donde hasta entonces se planeaba alcanzar una energía de 10 GeV.4 Gracias al uso de gradiente alternado entró en funcionamiento en 1959 a 30 GeV.11 En 1960, entró en funcionamiento el AGS («Alternating Gradient Synchrotron» de 33 GeV en Brookhaven.12

Bob Wilson, un antiguo colaborador de Lawrence, propuso separar los imanes focalizadores del haz de los imanes usados para curvar la trayectoria del haz de partículas en el sincrotrón de Fermilab, finalizado en 1972, donde se alcanzaron 400 GeV.4 En las décadas siguientes se siguieron construyendo sincrotrones de mayor tamaño y energía, como el Tevatron en Fermilab o el LHC en CERN, dedicados al estudio de partículas subatómicas.

Aunque la radiación sincrotrón emitida por las partículas aceleradas constituye una limitación a la máxima energía alcanzable en un sincrotrón, los científicos pronto se percataron de las posibilidades que ofrecían los haces intensos de radiación ultravioleta y rayos X generados en los sincrotrones de altas energías,y en los 80, aparecieron los primeros anillos de almacenamiento diseñados exclusivamente como fuentes de radiación sincrotrón.5 Algunos colisionadores de partículas obsoletos, como el sincrotrón de Stanford

en los Estados Unidos, o DORIS y PETRA en el laboratorio Deutsches Elektronen-Synchrotron, Alemania, han sido reconfigurados para este propósito,13 14 15 mientras que unos pocos, como CHESS, en la Universidad de Cornell, se utilizan a la vez para estudios de física de partículas y como fuentes de luz sincrotrón.16

[editar] Componentes

Booster de 900 MeV del colisionador de partículas VEPP 2000, en Novosibirsk

[editar] Fuente de partículas

Para la producción de electrones se suelen utilizar cátodos termoiónicos o cátodos fríos o fotocátodos.17 18 19 Los positrones se producen haciendo incidir un haz de electrones acelerados sobre un material metálico.19 Las fuentes de protones son muy diversas; se suelen extraer de un plasma, generado, por ejemplo, a partir de una descarga o radiación de microondas aplicados a un gas.20 21 Los antiprotones se producen de manera parecida a los positrones, haciendo chocar un haz de protones con un metal pesado.19

[editar] Aceleradores auxiliares: LINACS y boosters

Al contrario que los ciclotrones, los sincrotrones no son capaces de acelerar las partículas a partir de baja energía, por lo cual la aceleración se realiza por etapas. El haz de partículas se acelera inicialmente usando una fuente de alto voltaje oscilando a radio frecuencias. Las partículas se inyectan en un acelerador linear o LINAC, y de ahí pasan a un sincrotrón llamado booster donde adquieren su energía final; las partículas así aceleradas se inyectan al sincrotrón principal o anillo de almacenamiento, donde circulan a una energía fija. En un sincrotrón típico, el LINAC imparte a los electrones una energía entre 0.1 y 1 GeV, y el booster los acelera hasta la energía final de unos pocos GeV.22 23 24 El Gran Colisionador de Hadrones, que opera con protones de 7 TeV, requiere tres sincrotrones auxiliares.25

[editar] Cavidades de radiofrecuencia

Véase también: Resonador.

Las cavidades de radiofrecuencia o RF son una serie de estructuras huecas donde se aplica el voltaje oscilante longitudinal, suministrado por klistrones, que acelera las partículas. En

un acelerador propiamente dicho, como el booster, la energía de las partículas aumenta cada vez que atraviesan la cavidad. En los anillos de almacenamiento, por contra, solo se suministra la energía necesaria para compensar las pérdidas por radiación sincrotrón.26 27 Las cavidades RF también mantienen a las partículas agrupadas en paquetes que circulan a aproximadamente la misma velocidad, manteniendo la sincronía entre la fase del voltaje acelerador y la frecuencia de circulación del haz.26

[editar] Elementos magnéticos

Imanes del anillo de almacenamiento del Sincrotrón Australiano. En primer plano, un sextupolo (en verde), seguido por un dipolo (en amarillo) y, parcialmente oculto detrás de este, un cuadrupolo (en rojo).

Los sincrotrones modernos utilizan dipolos, llamados imanes curvadores —bending magnets— para curvar la trayectoria del haz de partículas y cuadrupolos y sextupolos para mantener el haz enfocado. La separación de las funciones de deflección y focalización permite alcanzar una energía mayor y optimizar las propiedades ópticas del sincrotrón.28 Los imanes tienen los polos orientados perpendicularmente a la órbita. Los cuadrupolos pueden orientarse de tal manera que las componentes verticales y horizontales de las fuerzas magnéticas que ejercen sobre las partículas son independientes y se suele alternar su polaridad a lo largo de la cavidad del sincrotrón, es decir, se have converger y divergir el haz sucesivamente. Esta disposición, conocida como «celda FODO»n. 1 mantiene el haz colimado, importante tanto para maximizar el número de colisiones de partículas, como para producir luz sincrotrón coherente y concentrada. Los imanes sextupolos se utilizan para corregir las aberraciones de los cuadrupolos.28

En los sincrotrones modernos utilizados para la producción de luz sincrotrón, los imanes se suelen disponer en diversas configuraciones, con el objetivo de lograr un haz de radiación lo más brillante posible. Una configuración muy utilizada es la «celda DBA» (Double Bend Achromatic) o «celda Chasman-Green», que en su versión más simple consiste en un par de imanes curvadores con una lente cuadrupolar en el centro.29 Este tipo de instalaciones cuenta además con dispositivos magnéticos compuestos de una secuencia de varios dipolos alternantes. Según la fuerza del campo magnético, estos aparatos se dividen en wigglers u onduladores. Ambos hacen seguir a los electrones una trayectoria oscilante, con un radio de curvatura menor que en los dipolos principales. Esto permite obtener radiación sincrotrón con propiedades diversas y mejor adaptadas a distintos tipos de experimentos.30

[editar] Líneas de luz sincrotrón

Al atravesar los imanes curvadores, wigglers y onduladores, las partículas emiten radiación en un amplo rango de longitudes de onda. La radiación ultravioleta y de rayos X emitida por los sincrotrones puede ser utilizada para varios experimentos. Las líneas de luz consisten en una cavidad en vacío para transportar esta radiación hasta las muestras que se pretende estudiar y varios instrumentos para modificar y adaptar las propiedades de la radiación, como espejos, para enfocar el haz de radiación y monocromadores para seleccionar determinadas longitudes de onda.31 La configuración específica de una línea de luz depende del tipo de experimento al que esté destinada y a las características del sincrotrón.

[editar] Aplicaciones

Detector de partículas en el LHC

[editar] Estudio de partículas subatómicas

Durante varias décadas la aplicación principal de los sincrotrones y otros aceleradores circulares fue el estudio de los constituyentes fundamentales de la materia. En las primeras máquinas de este tipo, se hacían chocar las partículas aceleradas contra un blanco metálico estacionario, donde interactuaban con los núcleos atómicos, produciendo partículas y antipartículas. En cambio, en los sincrotrones de alta energía posteriores, como el SPS, el LEP y el LHC, de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) y el Tevatron de Fermilab, fueron diseñados para producir colisiones entre dos haces de antipartículas circulando a la misma velocidad en direcciones opuestas. En este caso, el momento total de los dos haces es cero, por lo cual la energía total del haz puede ser consumida en la producción de nuevas partículas, al contrario que en el caso de un blanco estacionario, donde la ley de conservación del momento implica que parte de la energía es conservada por el haz.32 El haz en los colisionadores debe contener un gran número de partículas concentradas en un volumen muy reducido para maximizar el número de colisiones en cada ciclo, que es muy pequeño comparado con las colisiones obtenidas con un blanco fijo.33

Los colisionadores pueden ser de dos tipos: de hadrones —habitualmente protones y antiprotones— o de leptones —por ejemplo, electrones y positrones.— Los colisionadores de hadrones tienen la ventaja de limitar las pérdidas por radiación,34 y son la herramienta

principal para el descubrimiento de nuevas partículas. Los colisionadores de leptones, por otro lado, son útiles para la caracterización precisa de las partículas ya descubiertas.32

[editar] Estudio de materiales

Línea de luz sincrotrón para el estudio de moléculas biológicas (proteínas y ácidos nucleicos) por la técnica de difracción de cristales

La radiación sincrotrón emitida por los electrones al atravesar los imanes curvadores, wigglers y onduladores está compuesta por un espectro continuo de longitudes de onda desde los rayos X de alta energía hasta el infrarrojo. Esta radiación es muy intensa, concentrada y coherente espacialmente, propiedades idóneas para poder realizar una amplia gama de experimentos para explorar las propiedades de todo tipo de materiales orgánicos e inorgánicos, utilizando técnicas como la espectroscopía, dispersión, difracción y microscopía.35

Los primeros experimentos con luz sincrotrón se llevaban a cabo de modo «parasitario» en colisionadores de partículas, pero la mayoría de los sincrotrones en funcionamiento actualmente se utilizan solo para este propósito. Los sincrotrones diseñados para la producción de radiación sincrotrón se conocen como «sincrotrones de segunda generación» o «de tercera generación», dependiendo de la emitancia del haz de partículas,5 definida como el producto del área transversal del haz y su divergencia angular: en las fuentes de segunda generación la emitancia es del orden de 100 nm-mrad y en las de tercera generación es de 10 nm-mrad,36 lo que resulta en un haz de radiación más concentrado. La mayoría de estos sincrotrones tienen un diámetro del orden de los 100 m y funcionan a energías de unos pocos GeV. El de mayor tamaño PETRA, un antiguo colisionador reconvertido a fuente de luz sincrotrón, cuenta con más de dos kilómetros de circunferencia.37 En la primera década del S XXI se ha logrado construir un sincrotrón compacto que cabe en una habitación.38 Estas fuentes compactas utilizan luz láser para estimular la emisión de luz sincrotrón por los electrones.

[editar] Aceleradores de mayores energías

Túnel del SSC (Superconducting Super Collider). Esta enorme instalación iba a ser el mayor colisionador de partículas construido, pero su elevado sobrecoste hizo que el gobierno de EE.UU. cancelase finalmente el proyecto en 1993 quedándose a medio hacer.

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 láser 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 su acrónimo inglés) fue un proyecto para la construcción de un sincrotrón de 87 km de longitud en Texas que alcanzaría los 20 TeV. En 1993 el proyecto se canceló después de haber construido 23,5 km del túnel debido a su altísimo coste motivado por la gran desviación sobre el costo previsto. En 2006 las propiedades e instalaciones fueron vendidas a un grupo de inversión, estando el sitio en la actualidad en estado de abandono.

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

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[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 o si 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 Lorentz

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).

[editar] Componentes de un acelerador

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Los aceleradores poseen unos cuantos componentes básicos que son:

[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] 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] 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.

Dos de los detectores más conocidos construidos para detectar las partículas creadas en las colisiones son: CMS y ATLAS, instalados 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.

Detector de partículasDe Wikipedia, la enciclopedia libre(Redirigido desde «Detectores de partículas»)Saltar a: navegación, búsqueda

El Compact Muon Solenoid (CMS) es un ejemplo de detector de partículas grande. Adviértase la persona para la escala.

En física de partículas experimental, un detector de partículas, también conocido como detector de radiación, es un dispositivo usado para rastrear e identificar partículas de alta energía, como las producidas por la desintegración radiactiva, la radiación cósmica o las reacciones en un acelerador de partículas.

Índice

[ocultar] 1 Descripción

o 1.1 Ejemplos y tipos

o 1.2 Detectores modernos

2 Instalaciones de detectores de partículas

o 2.1 En colisionadores

o 2.2 Fuera de colisionadores

3 Véase también

4 Enlaces externos

[editar] Descripción

Los detectores diseñados para los aceleradores modernos son enormes en tamaño y coste. El término «contador» se usa a menudo en lugar de «detector» cuando el dispositivo cuenta las partículas detectadas pero no determina su energía o ionización. Los detectores de partículas suelen poder también rastrear la radiación ionizante (fotones de alta energía o incluso luz visible). Si su finalidad principal es la medida de la radiación, se les llama detectores de radiación, pero como los fotones pueden verse también como partículas (sin masa), el término «detector de partículas» sigue siendo correcto.

[editar] Ejemplos y tipos

Los tipos de detectores de partículas incluyen:

Calorímetro Cámara de burbujas

Cámara de chispas

Cámara de flujo , cámara de chorro

Cámara de niebla , cámara de difusión

Cámara de proyección de tiempo (TPC)

Cámara gaseosa de microestructura (MSGC)

Cámara de hilos o proporcional de multihilos (MWPC)

Centelleador

Detector Cherenkov , detector de aerogel

Detectores de ionización gaseosa (cámara de ionización, contador proporcional, contador Geiger)

Detector de tiempo de vuelo

Detector de transición de radiación

Detector RICH

Detector semiconductor

Dosímetro

Electroscopio

Fotodiodo

Fotomultiplicador

Fotomultiplicador de silicio o SiPM

Placa fotográfica

Tubo de corriente

[editar] Detectores modernos

Artículo principal: Detector hermético.

Los detectores modernos en física de partículas combinan varios de los anteriores elementos en capas, a modo de cebolla.

[editar] Instalaciones de detectores de partículas

[editar] En colisionadores

En el CERN:o Para el LHC: CMS, ATLAS, LHCb, ALICE

o Para el LEP: Aleph, Delphi, L3, Opal

o Para el SPS: Gargamelle, NA49

En el Fermilab:

o Para el Tevatrón: CDF, D0

En el DESY:

o Para HERA: H1, HERA-B, HERMES, ZEUS

En el BNL:

o Para el RHIC: STAR

En el SLAC:

o Para el SLC: SLD

Otros

o MECO para el UC Irvine

[editar] Fuera de colisionadores

Super-Kamiokande AMANDA

Gran colisionador de hadronesDe Wikipedia, la enciclopedia libreSaltar a: navegación, búsquedaPara la hormona GCH, véase Gonadotropina coriónica humana.

Coordenadas: 46°14′N 06°03′E 46.233, 6.05 (mapa)

El Gran Colisionador de Hadrones, GCH (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 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.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99% de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

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.

Cadena de aceleradoresdel Gran colisionador de hadrones (LHC)

ExperimentosATLAS Aparato Toroidal del LHC

CMS Solenoide de Muones Compacto

LHCb LHC-beauty

ALICE Gran Colisionador de Iones

TOTEMSección de Cruce total, diseminaciónelástica y disociación por difracción

LHCf LHC-delantero

Preaceleradores

p y PbAcelerador linealde protones y Plomo

(no marcado) Lanzador de Protones del Sincrotrón

PS Sincrotrón de protones

SPS Supersincrotrón de protones

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −271,15 °C), los primeros haces de partículas fueron inyectados el 1 de agosto de 2008,2 y el primer intento para hacerlos circular por toda la trayectoria del colisionador se produjo el 10 de septiembre del año 2008.3 Aunque las primeras colisiones a alta energía en principio estuvieron previstas para el 21 de octubre de 2008,4 el experimento fue postergado debido a una avería que produjo la fuga del helio líquido que enfría uno de los imanes superconductores.n. 1

A fines de 2009 se volvió a poner en marcha, y el 30 de noviembre del 2010 se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense.5 El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. En 2012 el LHC empezó a funcionar a 4 TeV por haz y al finalizar ese año entrará en parada durante 20 meses para realizar las mejoras necesarias para la operación a la energía máxima de 7 TeV por haz; la reapertura está prevista para finales de 2014.6

Este instrumento permitió confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs el 4 de julio del 2012, a veces llamada “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.7

Diseño del CMS collaboration.

Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar 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.n. 2 Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas cuya existencia se ha predicho teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda,9 como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.10

Índice

[ocultar]

1 Experimentos 2 Propósito del LHC

3 Red de computación

4 Presupuesto

5 Alarmas sobre posibles catástrofes

6 Línea de tiempo del colisionador

7 Véase también

8 Notas

9 Referencias

10 Enlaces externos

[editar] Experimentos

Parte del túnel del LHC situada debajo del LHC P8, cerca del LHCb.

Los protones se acelerarán hasta tener una energía de 7 T eV cada uno (siendo el total de energía de la colisión de 14 TeV). 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).

[editar] Propósito del LHC

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 por qué 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 hecha 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.

Recrear las condiciones que provocaron el Big Bang.11

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 .

El detector CMS del LHC.

Tanques de helio.

[editar] Red de computación

La red de computación (Computing Grid en inglés) 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. 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 "nivel 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 el "nivel 1" de procesamiento. Otras 150 instituciones constituyen el "nivel 2".

Se espera que el LHC produzca entre 10 a 15 petabytes de datos por año. 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 datos a los 100 000 CPU de todo el mundo que constituyen los niveles 1 y 2 de procesamiento.12

[editar] Presupuesto

La construcción del LHC fue aprobada en 1995 con un presupuesto de 2600 millones de Francos suizos (alrededor de 1700 millones de euros), 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.13 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.

El recorte de fondos previsto para el año 2011 es de 15 millones de francos suizos dentro de los 1.100 millones de euros del presupuesto total, lo que representaría menos del 1,5 por ciento de inversión anual; al año siguiente un dos por ciento; así hasta ahorrar 262 millones de euros para 2015.14 15

El delegado científico de España en el CERN, Carlos Pajares, ha asegurado que el Gran Colisionador de Hadrones o LHC no se verá afectado por el recorte de fondos previsto por la institución científica ante la crisis económica.14 15

"Todos los países dijimos que no había que tocar el programa del LHC y es lo que se hizo. El director general ha enviado un mensaje a toda la comunidad científica diciendo que el CERN se ha apretado el cinturón igualmente pero el LHC no va a sufrir", ha señalado Carlos Pajares.14 15

[editar] Alarmas sobre posibles catástrofes

Desde que se proyectó el Gran Colisionador Relativista de Iones (RHIC), el estadounidense Walter Wagner y el español Luis Sancho16 denunciaron ante un tribunal de Hawái 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 de la Tierra. 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:17

La formación de un agujero negro estable. 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 18 inestables, redes, o disfunciones magnéticas.19 La conclusión de estos estudios es que "no se encuentran bases fundadas que conduzcan a estas amenazas".20 21

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 espacios vacíos. Debido a esto, no podría crecer y alcanzaría el espacio, donde su probabilidad de chocar contra algo y crecer, es aún más pequeña.[cita requerida]

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

Los rayos cósmicos alcanzan continuamente la Tierra a velocidades (y por tanto energías) enormes, incluso varios órdenes de magnitud mayores a las producidas en el 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.

Estos argumentos no impidieron que hubiera revueltas e incluso un suicidio por temor al fin del mundo cuando LHC lanzó su primera partícula el 10 de septiembre del 2008.