Un sincrotrón es un tipo particular de acelerador de partículas cíclico , descendiente del ciclotrón , en el que el haz de partículas acelerado viaja alrededor de una trayectoria fija de circuito cerrado. El campo magnético que curva el haz de partículas en su trayectoria cerrada aumenta con el tiempo durante el proceso de aceleración, estando sincronizado con el aumento de la energía cinética de las partículas. [1] El sincrotrón es uno de los primeros conceptos de acelerador que permite la construcción de instalaciones a gran escala, ya que la flexión, el enfoque del haz y la aceleración se pueden separar en diferentes componentes. Los aceleradores de partículas modernos más potentes utilizan versiones del diseño sincrotrón. El acelerador de tipo sincrotrón más grande, también el acelerador de partículas más grande del mundo, es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 27 kilómetros de circunferencia (17 millas) cerca de Ginebra, Suiza, construido en 2008 por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). ). [2] Puede acelerar haces de protones a una energía de 7 tera electronvoltios (TeV o 10 12 eV).
El principio de sincrotrón fue inventado por Vladimir Veksler en 1944. [3] Edwin McMillan construyó el primer sincrotrón de electrones en 1945, y llegó a la idea de forma independiente, después de perderse la publicación de Veksler (que sólo estaba disponible en una revista soviética , aunque en inglés). [4] [5] [6] El primer sincrotrón de protones fue diseñado por Sir Marcus Oliphant [5] [7] y construido en 1952. [5]
En la actualidad se utilizan varios tipos especializados de máquinas sincrotrón:
El sincrotrón evolucionó a partir del ciclotrón , el primer acelerador de partículas cíclico. Mientras que un ciclotrón clásico utiliza tanto un campo magnético guía constante como un campo electromagnético de frecuencia constante (y funciona en aproximación clásica ), su sucesor, el ciclotrón isócrono , funciona mediante variaciones locales del campo magnético guía, adaptándose a la masa relativista creciente. de partículas durante la aceleración. [8]
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En un sincrotrón, esta adaptación se realiza mediante la variación de la intensidad del campo magnético en el tiempo, en lugar de en el espacio. Para partículas que no están cerca de la velocidad de la luz , la frecuencia del campo electromagnético aplicado también puede cambiar para seguir su tiempo de circulación no constante. Al aumentar estos parámetros en consecuencia a medida que las partículas ganan energía, su trayectoria de circulación se puede mantener constante a medida que se aceleran. Esto permite que la cámara de vacío para las partículas sea un toro grande y delgado , en lugar de un disco como en los diseños de aceleradores compactos anteriores. Además, el perfil delgado de la cámara de vacío permitió un uso más eficiente de los campos magnéticos que en un ciclotrón, lo que permitió la construcción rentable de sincrotrones más grandes. [ cita necesaria ]
Mientras que los primeros sincrotrones y anillos de almacenamiento como el Cosmotron y ADA utilizaban estrictamente la forma toroide, el principio de enfoque fuerte descubierto de forma independiente por Ernest Courant et al. [9] [10] y Nicholas Christofilos [11] permitieron la separación completa del acelerador en componentes con funciones especializadas a lo largo de la trayectoria de las partículas, dándole forma a la trayectoria en un polígono de esquinas redondeadas. Algunos componentes importantes los proporcionan las cavidades de radiofrecuencia para la aceleración directa, los imanes dipolares ( imanes de flexión ) para la desviación de partículas (para cerrar el camino) y los imanes cuadrupolares / sextupolares para el enfoque del haz. [ cita necesaria ]
La combinación de campos magnéticos guía dependientes del tiempo y el fuerte principio de enfoque permitieron el diseño y el funcionamiento de modernas instalaciones de aceleradores a gran escala, como colisionadores y fuentes de luz de sincrotrón . Los tramos rectos a lo largo del camino cerrado en tales instalaciones no sólo son necesarios para las cavidades de radiofrecuencia, sino también para los detectores de partículas (en colisionadores) y dispositivos de generación de fotones como los onduladores y los onduladores (en las fuentes de luz sincrotrón de tercera generación). [ cita necesaria ]
La energía máxima que puede impartir un acelerador cíclico suele estar limitada por la intensidad máxima de los campos magnéticos y el radio mínimo ( curvatura máxima ) de la trayectoria de las partículas. Así, un método para aumentar el límite de energía es utilizar imanes superconductores , que no estén limitados por la saturación magnética . Los aceleradores de electrones / positrones también pueden verse limitados por la emisión de radiación sincrotrón , lo que resulta en una pérdida parcial de la energía cinética del haz de partículas. La energía límite del haz se alcanza cuando la energía perdida por la aceleración lateral requerida para mantener la trayectoria del haz en un círculo es igual a la energía agregada en cada ciclo. [ cita necesaria ]
Se construyen aceleradores más potentes utilizando trayectorias de gran radio y cavidades de microondas más numerosas y potentes. Las partículas más ligeras (como los electrones) pierden una fracción mayor de su energía cuando se desvían. En la práctica, la energía de los aceleradores de electrones y positrones está limitada por esta pérdida de radiación, mientras que ésta no desempeña un papel significativo en la dinámica de los aceleradores de protones o iones . La energía de tales aceleradores está estrictamente limitada por la fuerza de los imanes y por el costo. [ cita necesaria ]
A diferencia de un ciclotrón, los sincrotrones no pueden acelerar partículas con energía cinética cero; Una de las razones obvias de esto es que su camino cerrado de partículas sería cortado por un dispositivo que emite partículas. Así, se desarrollaron esquemas para inyectar haces de partículas preaceleradas en un sincrotrón. La preaceleración puede realizarse mediante una cadena de otras estructuras de acelerador como un linac , un microtrón u otro sincrotrón; todos ellos, a su vez, necesitan ser alimentados por una fuente de partículas que comprende una simple fuente de alimentación de alto voltaje, normalmente un generador Cockcroft-Walton . [ cita necesaria ]
A partir de un valor inicial apropiado, determinado por la energía de inyección, se aumenta entonces la intensidad del campo de los imanes dipolares . Si las partículas de alta energía se emiten al final del procedimiento de aceleración, por ejemplo hacia un objetivo o hacia otro acelerador, la intensidad del campo vuelve a disminuir hasta el nivel de inyección, iniciando un nuevo ciclo de inyección . Dependiendo del método de control magnético utilizado, el intervalo de tiempo para un ciclo puede variar sustancialmente entre diferentes instalaciones. [ cita necesaria ]
Uno de los primeros grandes sincrotrones, ahora retirado, es el Bevatron , construido en 1950 en el Laboratorio Lawrence Berkeley . El nombre de este acelerador de protones proviene de su potencia, en el rango de 6,3 GeV (entonces llamado BeV por mil millones de electronvoltios ; el nombre es anterior a la adopción del prefijo SI giga- ). Con esta máquina se crearon por primera vez una serie de elementos transuránicos , invisibles en el mundo natural. Este sitio es también la ubicación de una de las primeras grandes cámaras de burbujas utilizadas para examinar los resultados de las colisiones atómicas producidas aquí. [ cita necesaria ]
Otro gran sincrotrón temprano es el Cosmotron construido en el Laboratorio Nacional Brookhaven que alcanzó 3,3 GeV en 1953. [12]
Entre los pocos sincrotrones que existen en el mundo, 16 están ubicados en Estados Unidos. Muchos de ellos pertenecen a laboratorios nacionales; pocos están ubicados en universidades. [ cita necesaria ]
Hasta agosto de 2008, el colisionador de mayor energía del mundo era el Tevatron , en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi , en Estados Unidos . Aceleró protones y antiprotones a poco menos de 1 TeV de energía cinética y los hizo colisionar entre sí. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), construido en el Laboratorio Europeo de Física de Altas Energías ( CERN ), tiene aproximadamente siete veces esta energía (por lo que las colisiones protón-protón se producen a aproximadamente 14 TeV). Está alojado en el túnel de 27 km que antiguamente albergaba el colisionador de positrones y electrones grandes ( LEP ), por lo que mantendrá su pretensión de ser el dispositivo científico más grande jamás construido. El LHC también acelerará iones pesados (como el plomo ) hasta una energía de 1,15 PeV . [ cita necesaria ]
El mayor dispositivo de este tipo propuesto seriamente fue el Superconducting Super Collider (SSC), que se iba a construir en Estados Unidos . Este diseño, como otros, utilizó imanes superconductores que permiten crear campos magnéticos más intensos sin las limitaciones de la saturación del núcleo. Mientras se iniciaba la construcción, el proyecto fue cancelado en 1994, alegando excesos presupuestarios excesivos ; esto se debió a una estimación ingenua de costos y a problemas de gestión económica más que a fallas de ingeniería básicas. También se puede argumentar que el fin de la Guerra Fría dio lugar a un cambio en las prioridades de financiación científica que contribuyó a su cancelación final. Sin embargo, el túnel construido para su colocación aún permanece, aunque vacío. Si bien todavía existe potencial para aceleradores cíclicos de protones y partículas pesadas aún más potentes, parece que el siguiente paso en la energía del haz de electrones debe evitar las pérdidas debidas a la radiación de sincrotrón . Esto requerirá un retorno al acelerador lineal , pero con dispositivos significativamente más largos que los que se utilizan actualmente. Actualmente se está realizando un importante esfuerzo para diseñar y construir el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que constará de dos aceleradores lineales opuestos , uno para electrones y otro para positrones. Estos colisionarán en un centro de masa total de energía de 0,5 TeV . [ cita necesaria ]
La radiación sincrotrón también tiene una amplia gama de aplicaciones (ver luz sincrotrón ) y muchos sincrotrones de segunda y tercera generación se han construido especialmente para aprovecharla. Las más grandes de esas fuentes de luz sincrotrón de tercera generación son la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble , Francia, la Fuente Avanzada de Fotones ( APS ) cerca de Chicago, Estados Unidos, y SPring-8 en Japón , que acelera electrones hasta 6, 7. y 8 GeV , respectivamente. [ cita necesaria ]
Los sincrotrones que son útiles para la investigación de vanguardia son máquinas grandes, cuya construcción cuesta decenas o cientos de millones de dólares, y cada línea de luz (puede haber de 20 a 50 en un sincrotrón grande) cuesta otros dos o tres millones de dólares en promedio. Estas instalaciones son construidas en su mayoría por agencias de financiación científica de gobiernos de países desarrollados, o por colaboraciones entre varios países de una región, y funcionan como instalaciones de infraestructura disponibles para científicos de universidades y organizaciones de investigación en todo el país, región o mundo. Sin embargo, se han desarrollado modelos más compactos, como la Compact Light Source . [ cita necesaria ]
