El Bevatron era un acelerador de partículas —específicamente, un sincrotrón de protones de enfoque débil— en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley , EE. UU., que comenzó a operar en 1954. [1] El antiprotón fue descubierto allí en 1955, lo que resultó en el Premio Nobel de Física de 1959 para Emilio Segrè y Owen Chamberlain . [2] Aceleraba protones hacia un objetivo fijo y recibió ese nombre por su capacidad de impartir energías de miles de millones de eV ("sincrotrón de miles de millones de eV").
En el momento en que se diseñó el Bevatron, se sospechaba firmemente, pero no se sabía, que cada partícula tenía una antipartícula correspondiente de carga opuesta, idéntica en todos los demás aspectos, una propiedad conocida como simetría de carga . El antielectrón, o positrón , había sido observado por primera vez a principios de la década de 1930 y teóricamente entendido como una consecuencia de la ecuación de Dirac aproximadamente al mismo tiempo. Después de la Segunda Guerra Mundial, se observaron muones y piones positivos y negativos en interacciones de rayos cósmicos vistas en cámaras de nubes y pilas de emulsiones fotográficas nucleares . El Bevatron fue construido para ser lo suficientemente energético como para crear antiprotones y, así, probar la hipótesis de que cada partícula tiene una antipartícula correspondiente. [3] En 1955, se descubrió el antiprotón utilizando el Bevatron. [4] El antineutrón fue descubierto poco después por el equipo de Bruce Cork , Glen Lambertson, Oreste Piccioni y William Wenzel en 1956, [5] también en el Bevatron. La confirmación de la conjetura de simetría de carga en 1955 condujo a la concesión del Premio Nobel de Física a Emilio Segrè y Owen Chamberlain en 1959. [4]
Poco después de que se comenzara a utilizar el Bevatron, se reconoció que la paridad no se conservaba en las interacciones débiles , lo que condujo a la resolución del rompecabezas tau-theta , a la comprensión de la extrañeza y al establecimiento de la simetría CPT como una característica básica de las teorías cuánticas de campos relativistas .
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Para crear antiprotones (masa ~938 MeV / c2 ) en colisiones con nucleones en un objetivo estacionario mientras se conserva tanto la energía como el momento, se requiere una energía de haz de protones de aproximadamente 6,2 GeV . En el momento en que se construyó, no se conocía ninguna forma de confinar un haz de partículas a una abertura estrecha, por lo que el espacio del haz tenía aproximadamente cuatro pies cuadrados de sección transversal. [6] La combinación de apertura del haz y energía requirió un enorme imán de hierro de 10.000 toneladas y un sistema de vacío muy grande.
Se utilizó un gran sistema de motor-generador para aumentar el campo magnético en cada ciclo de aceleración. Al final de cada ciclo, después de utilizar o extraer el haz, la gran energía del campo magnético se devolvía para hacer girar el motor, que luego se utilizaba como generador para alimentar el siguiente ciclo, ahorrando energía; todo el proceso requería unos cinco segundos. El característico sonido ascendente y descendente del sistema de motor-generador se podía escuchar en todo el complejo cuando la máquina estaba en funcionamiento.
En los años posteriores al descubrimiento del antiprotón, se realizó aquí mucho trabajo pionero utilizando haces de protones extraídos del propio acelerador para alcanzar objetivos y generar haces secundarios de partículas elementales, no sólo protones sino también neutrones, piones , " partículas extrañas " y muchas otras.
Los haces de partículas extraídos, tanto los protones primarios como los secundarios, podían a su vez pasar para su posterior estudio a través de varios objetivos y detectores especializados, en particular la cámara de burbujas de hidrógeno líquido . Se fotografiaron, midieron y estudiaron en detalle miles de interacciones de partículas, o "eventos", con un sistema automatizado de grandes máquinas de medición (conocidas como "Franckensteins", por su inventor Jack Franck) [7] que permitía a los operadores humanos (normalmente las esposas de los estudiantes de posgrado) marcar puntos a lo largo de las trayectorias de las partículas y perforar sus coordenadas en tarjetas IBM, utilizando un pedal. Las barajas de cartas eran analizadas luego por ordenadores de primera generación, que reconstruían las trayectorias tridimensionales a través de los campos magnéticos y calculaban los momentos y la energía de las partículas. A continuación, los programas informáticos, extremadamente complejos para su época, ajustaban los datos de las trayectorias asociadas a un evento determinado para estimar las energías, masas e identidades de las partículas producidas.
Este período, en el que se revelaron de repente cientos de nuevas partículas y estados excitados, marcó el comienzo de una nueva era en la física de partículas elementales. Luis Álvarez inspiró y dirigió gran parte de este trabajo, por el que recibió el Premio Nobel de Física en 1968.
El Bevatron cobró nueva vida en 1971, [8] cuando se unió al acelerador lineal SuperHILAC como inyector de iones pesados. [9] La combinación fue concebida por Albert Ghiorso , quien lo bautizó como Bevalac. [10] Podía acelerar una amplia gama de núcleos estables a energías relativistas. [11] Finalmente fue desmantelado en 1993.
La siguiente generación de aceleradores utilizaba un enfoque fuerte y requería aberturas mucho más pequeñas y, por lo tanto, imanes mucho más baratos. El PS ( Sincrontrón de Protones ) del CERN , 1959, y el AGS ( Sincrontrón de Gradiente Alternado ) del Laboratorio Nacional de Brookhaven , 1960, fueron las primeras máquinas de la siguiente generación, con una abertura aproximadamente un orden de magnitud menor en ambas direcciones transversales y que alcanzaba una energía de protones de 30 GeV, pero con un anillo magnético menos masivo. A modo de comparación, los haces circulantes en el Gran Colisionador de Hadrones , con una energía ~11.000 veces mayor y una intensidad enormemente mayor que la del Bevatron, están confinados en un espacio del orden de 1 mm de sección transversal y enfocados hasta 16 micrómetros en las regiones de colisión de intersección, mientras que el campo de los imanes de flexión es solo unas cinco veces mayor.
La demolición del Bevatron comenzó en 2009 y finalizó a principios de 2012. [12]
