Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que junta dos haces de partículas opuestas de manera que las partículas colisionen . [1] En comparación con otros aceleradores de partículas en los que las partículas en movimiento colisionan con un objetivo de materia estacionario, los colisionadores pueden alcanzar energías de colisión más altas. Los colisionadores pueden ser aceleradores de anillo o aceleradores lineales .
Los colisionadores se utilizan como herramienta de investigación en física de partículas, acelerando partículas hasta alcanzar una energía cinética muy alta y dejándolas impactar con otras partículas. El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos pruebas sólidas de la estructura del mundo subatómico y de las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Estas pueden resultar evidentes solo a altas energías y durante períodos de tiempo extremadamente cortos, por lo que pueden resultar difíciles o imposibles de estudiar de otras formas.
En física de partículas, se obtienen conocimientos sobre las partículas elementales acelerando partículas hasta alcanzar una energía cinética muy alta y guiándolas para que colisionen con otras partículas. Cuando la energía es lo suficientemente alta, se produce una reacción que transforma las partículas en otras partículas. La detección de estos productos permite comprender la física implicada.
Para realizar tales experimentos hay dos configuraciones posibles:
La configuración del colisionador es más difícil de construir, pero tiene la gran ventaja de que, según la relatividad especial , la energía de una colisión inelástica entre dos partículas que se aproximan una a la otra con una velocidad dada no es sólo 4 veces más alta que en el caso de una partícula en reposo (como sería en la física no relativista); puede ser órdenes de magnitud mayor si la velocidad de la colisión está cerca de la velocidad de la luz.
En el caso de un colisionador donde el punto de colisión está en reposo en el marco del laboratorio (es decir , ), la energía del centro de masas (la energía disponible para producir nuevas partículas en la colisión) es simplemente , donde y es la energía total de una partícula de cada haz. Para un experimento con un objetivo fijo donde la partícula 2 está en reposo, . [2]
La primera propuesta seria para un colisionador se originó con un grupo de la Asociación de Investigación de Universidades del Medio Oeste (MURA). Este grupo propuso construir dos anillos aceleradores FFAG de sector radial tangente. [3] Tihiro Ohkawa , uno de los autores del primer artículo, desarrolló un diseño de acelerador FFAG de sector radial que podría acelerar dos haces de partículas contrarrotativas dentro de un solo anillo de imanes. [4] [5] El tercer prototipo FFAG construido por el grupo MURA fue una máquina de electrones de 50 MeV construida en 1961 para demostrar la viabilidad de este concepto.
Gerard K. O'Neill propuso utilizar un único acelerador para inyectar partículas en un par de anillos de almacenamiento tangentes . Al igual que en la propuesta original de MURA, las colisiones se producirían en la sección tangente. El beneficio de los anillos de almacenamiento es que el anillo de almacenamiento puede acumular un flujo de haz alto de un acelerador de inyección que logra un flujo mucho menor. [6]
Los primeros colisionadores electrón - positrón fueron construidos a finales de los años 1950 y principios de los años 1960 en Italia, en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Frascati , cerca de Roma, por el físico austro-italiano Bruno Touschek y en los EE. UU., por el equipo Stanford-Princeton que incluía a William C. Barber, Bernard Gittelman, Gerry O'Neill y Burton Richter . Casi al mismo tiempo, el colisionador electrón-electrón VEP-1 fue desarrollado y construido de forma independiente bajo la supervisión de Gersh Budker en el Instituto de Física Nuclear en Novosibirsk , URSS . Las primeras observaciones de reacciones de partículas en los haces en colisión fueron informadas casi simultáneamente por los tres equipos a mediados de 1964 y principios de 1965. [7]
En 1966, comenzaron los trabajos sobre los anillos de almacenamiento intersecantes en el CERN y, en 1971, este colisionador estaba operativo. [8] El ISR era un par de anillos de almacenamiento que acumulaban y hacían colisionar protones inyectados por el sincrotrón de protones del CERN . Este fue el primer colisionador de hadrones , ya que todos los esfuerzos anteriores habían trabajado con electrones o con electrones y positrones .
En 1968 se inició la construcción del complejo de aceleradores de protones de mayor energía en el Fermilab . Finalmente se modernizó para convertirse en el colisionador Tevatron y en octubre de 1985 se registraron las primeras colisiones protón - antiprotón con una energía en el centro de masas de 1,6 TeV, lo que lo convirtió en el colisionador de mayor energía del mundo en ese momento. La energía había alcanzado posteriormente los 1,96 TeV y al final de la operación en 2011 la luminosidad del colisionador superó 430 veces su objetivo de diseño original. [9]
Desde 2009, el colisionador de partículas más energético del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Actualmente opera a una energía de centro de masa de 13 TeV en colisiones protón-protón. Actualmente se están considerando más de una docena de futuros proyectos de colisionadores de partículas de varios tipos (circulares y lineales, colisiones de hadrones (protón-protón o ion-ion), leptones (electrón-positrón o muón-muón) o electrones e iones/protones) para la exploración detallada de la física del Higgs/electrodébil y los descubrimientos en la frontera energética posterior al LHC. [10]
Fuentes: La información fue tomada del sitio web Particle Data Group . [11]
