Un acelerador de partículas es una máquina que utiliza campos electromagnéticos para impulsar partículas cargadas a velocidades y energías muy altas, y contenerlas en haces bien definidos . [1] [2]
Los grandes aceleradores se utilizan para la investigación fundamental en física de partículas . El mayor acelerador actualmente activo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerca de Ginebra, Suiza, operado por el CERN . Es un acelerador de colisión , que puede acelerar dos haces de protones a una energía de 6,5 TeV y hacer que colisionen de frente, creando energías en el centro de masa de 13 TeV. Otros aceleradores potentes son el RHIC del Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York y, anteriormente, el Tevatron del Fermilab , Batavia, Illinois. Los aceleradores también se utilizan como fuentes de luz de sincrotrón para el estudio de la física de la materia condensada . Los aceleradores de partículas más pequeños se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluida la terapia de partículas con fines oncológicos , la producción de radioisótopos para diagnóstico médico, implantadores de iones para la fabricación de semiconductores y espectrómetros de masas con aceleradores para mediciones de isótopos raros como el radiocarbono . Actualmente hay más de 30.000 aceleradores en funcionamiento en todo el mundo. [3] [4]
Hay dos clases básicas de aceleradores: aceleradores electrostáticos y electrodinámicos (o electromagnéticos). [5] Los aceleradores de partículas electrostáticos utilizan campos eléctricos estáticos para acelerar las partículas. Los tipos más comunes son el generador Cockcroft-Walton y el generador Van de Graaff . Un ejemplo a pequeña escala de esta clase es el tubo de rayos catódicos de un televisor antiguo y corriente. La energía cinética que pueden alcanzar las partículas en estos dispositivos está determinada por la tensión de aceleración , que está limitada por una falla eléctrica . Los aceleradores electrodinámicos o electromagnéticos , por otro lado, utilizan campos electromagnéticos cambiantes (ya sea inducción magnética o campos oscilantes de radiofrecuencia ) para acelerar partículas. Dado que en estos tipos las partículas pueden pasar a través del mismo campo acelerador varias veces, la energía de salida no está limitada por la intensidad del campo acelerador. Esta clase, que se desarrolló por primera vez en la década de 1920, es la base de la mayoría de los aceleradores modernos a gran escala.
Rolf Widerøe , Gustav Ising , Leó Szilárd , Max Steenbeck y Ernest Lawrence son considerados pioneros en este campo, ya que concibieron y construyeron el primer acelerador lineal de partículas operativo , [6] el betatrón y el ciclotrón .
Debido a que el objetivo de los haces de partículas de los primeros aceleradores eran normalmente los átomos de una pieza de materia, con el objetivo de crear colisiones con sus núcleos para investigar la estructura nuclear, en el siglo XX a los aceleradores se les llamaba comúnmente colisionadores de átomos . [7] El término persiste a pesar de que muchos aceleradores modernos crean colisiones entre dos partículas subatómicas , en lugar de una partícula y un núcleo atómico. [8] [9] [10]
Los haces de partículas de alta energía son útiles para la investigación fundamental y aplicada en las ciencias, y también en muchos campos técnicos e industriales no relacionados con la investigación fundamental. [11] Se ha estimado que existen aproximadamente 30.000 aceleradores en todo el mundo. De estos, sólo alrededor del 1% son máquinas de investigación con energías superiores a 1 GeV , mientras que alrededor del 44% son para radioterapia, el 41% para implantación de iones , el 9% para procesamiento e investigación industrial y el 4% para investigación biomédica y otras investigaciones de baja energía. [12]
Para las investigaciones más básicas sobre la dinámica y la estructura de la materia, el espacio y el tiempo, los físicos buscan los tipos más simples de interacciones con las energías más altas posibles. Estos normalmente implican energías de partículas de muchos GeV e interacciones de los tipos más simples de partículas: leptones (por ejemplo, electrones y positrones ) y quarks para la materia, o fotones y gluones para los cuantos de campo . Dado que los quarks aislados no están disponibles experimentalmente debido al confinamiento del color , los experimentos más simples disponibles implican las interacciones de, en primer lugar, leptones entre sí y, en segundo lugar, de leptones con nucleones , que están compuestos de quarks y gluones. Para estudiar las colisiones de quarks entre sí, los científicos recurren a colisiones de nucleones, que a alta energía pueden considerarse útilmente como interacciones esencialmente de dos cuerpos de los quarks y gluones que los componen. Los físicos de estas partículas elementales tienden a utilizar máquinas que crean haces de electrones, positrones, protones y antiprotones , interactuando entre sí o con los núcleos más simples (por ejemplo, hidrógeno o deuterio ) a las energías más altas posibles, generalmente cientos de GeV o más.
El acelerador de partículas más grande y de mayor energía utilizado para la física de partículas elementales es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN , en funcionamiento desde 2009. [13]
Los físicos nucleares y los cosmólogos podrán utilizar haces de núcleos atómicos desnudos , despojados de electrones, para investigar la estructura, las interacciones y las propiedades de los propios núcleos, y de la materia condensada a temperaturas y densidades extremadamente altas, como las que podrían haber ocurrido en los primeros momentos. del Big Bang . Estas investigaciones implican a menudo colisiones de núcleos pesados (de átomos como el hierro o el oro ) a energías de varios GeV por nucleón . El mayor acelerador de partículas de este tipo es el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven .
Los aceleradores de partículas también pueden producir haces de protones, que pueden producir isótopos médicos o de investigación ricos en protones , a diferencia de los ricos en neutrones que se fabrican en los reactores de fisión ; sin embargo, trabajos recientes han demostrado cómo producir 99 Mo , generalmente producido en reactores, acelerando isótopos de hidrógeno, [14] aunque este método todavía requiere un reactor para producir tritio . Un ejemplo de este tipo de máquina es LANSCE en el Laboratorio Nacional de Los Alamos .
Los electrones que se propagan a través de un campo magnético emiten haces de fotones muy brillantes y coherentes mediante radiación sincrotrón . Tiene numerosos usos en el estudio de la estructura atómica, la química, la física de la materia condensada, la biología y la tecnología. En todo el mundo existe un gran número de fuentes de luz de sincrotrón . Ejemplos en los EE. UU. son SSRL en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC , APS en el Laboratorio Nacional Argonne, ALS en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y NSLS-II en el Laboratorio Nacional Brookhaven . En Europa, existen MAX IV en Lund, Suecia, BESSY en Berlín, Alemania, Diamond en Oxfordshire, Reino Unido, ESRF en Grenoble , Francia; este último se ha utilizado para extraer imágenes tridimensionales detalladas de insectos atrapados en ámbar. [15]
Los láseres de electrones libres (FEL) son una clase especial de fuentes de luz basadas en radiación sincrotrón que proporciona pulsos más cortos con mayor coherencia temporal . Un FEL especialmente diseñado es la fuente de rayos X más brillante del universo observable. [16] Los ejemplos más destacados son el LCLS en Estados Unidos y el XFEL europeo en Alemania. Cada vez se presta más atención a los láseres de rayos X blandos , que, junto con el acortamiento del pulso, abren nuevos métodos para la ciencia de los attosegundos . [17] Además de los rayos X, los FEL se utilizan para emitir luz de terahercios , por ejemplo, FELIX en Nimega (Países Bajos), TELBE en Dresde (Alemania) y NovoFEL en Novosibirsk (Rusia).
Por lo tanto, existe una gran demanda de aceleradores de electrones de energía moderada ( GeV ), alta intensidad y alta calidad de haz para impulsar fuentes de luz.
Ejemplos cotidianos de aceleradores de partículas son los tubos de rayos catódicos que se encuentran en los televisores y los generadores de rayos X. Estos aceleradores de baja energía utilizan un único par de electrodos con un voltaje CC de unos pocos miles de voltios entre ellos. En un generador de rayos X, el objetivo en sí es uno de los electrodos. En la fabricación de circuitos integrados se utiliza un acelerador de partículas de baja energía llamado implantador de iones .
A energías más bajas, los haces de núcleos acelerados también se utilizan en medicina como terapia de partículas , para el tratamiento del cáncer.
Los tipos de aceleradores de CC capaces de acelerar partículas a velocidades suficientes para provocar reacciones nucleares son los generadores o multiplicadores de voltaje Cockcroft-Walton , que convierten CA en CC de alto voltaje, o los generadores Van de Graaff que utilizan electricidad estática transportada por correas.
El procesamiento por haz de electrones se utiliza comúnmente para la esterilización. Los haces de electrones son una tecnología de encendido y apagado que proporciona una tasa de dosis mucho más alta que los rayos gamma o X emitidos por radioisótopos como el cobalto-60 ( 60 Co) o el cesio-137 ( 137 Cs). Debido a la tasa de dosis más alta, se requiere menos tiempo de exposición y se reduce la degradación del polímero. Debido a que los electrones llevan carga, los haces de electrones son menos penetrantes que los rayos gamma y X. [18]
Históricamente, los primeros aceleradores utilizaban tecnología simple de un único alto voltaje estático para acelerar partículas cargadas. La partícula cargada se aceleró a través de un tubo al vacío con un electrodo en cada extremo, con el potencial estático a través de él. Dado que la partícula pasó sólo una vez a través de la diferencia de potencial, la energía de salida se limitó al voltaje de aceleración de la máquina. Si bien este método sigue siendo extremadamente popular hoy en día, ya que los aceleradores electrostáticos superan en número a cualquier otro tipo, son más adecuados para estudios de energía más baja debido al límite de voltaje práctico de aproximadamente 1 MV para máquinas aisladas por aire, o 30 MV cuando el acelerador Se opera en un tanque de gas a presión con alta rigidez dieléctrica , como el hexafluoruro de azufre . En un acelerador tándem el potencial se utiliza dos veces para acelerar las partículas, invirtiendo la carga de las partículas mientras están dentro del terminal. Esto es posible con la aceleración de los núcleos atómicos mediante el uso de aniones ( iones cargados negativamente ) y luego pasando el haz a través de una lámina delgada para quitar los electrones de los aniones dentro del terminal de alto voltaje, convirtiéndolos en cationes (iones cargados positivamente), que Vuelven a acelerarse al salir de la terminal.
Los dos tipos principales de acelerador electrostático son el acelerador Cockcroft-Walton , que utiliza un multiplicador de voltaje de diodo-condensador para producir alto voltaje, y el acelerador Van de Graaff , que utiliza una correa de tela en movimiento para transportar carga al electrodo de alto voltaje. Aunque los aceleradores electrostáticos aceleran partículas a lo largo de una línea recta, el término acelerador lineal se usa más a menudo para aceleradores que emplean campos eléctricos oscilantes en lugar de estáticos.
Debido al techo de alto voltaje impuesto por las descargas eléctricas, para acelerar las partículas a energías más altas, se utilizan técnicas que involucran campos dinámicos en lugar de campos estáticos. La aceleración electrodinámica puede surgir de cualquiera de dos mecanismos: inducción magnética no resonante o circuitos o cavidades resonantes excitados por campos oscilantes de radiofrecuencia (RF). [19] Los aceleradores electrodinámicos pueden ser lineales , con partículas que se aceleran en línea recta, o circulares , utilizando campos magnéticos para doblar partículas en una órbita aproximadamente circular.
Los aceleradores de inducción magnética aceleran partículas por inducción de un campo magnético creciente, como si las partículas fueran el devanado secundario de un transformador. El campo magnético creciente crea un campo eléctrico circulante que puede configurarse para acelerar las partículas. Los aceleradores de inducción pueden ser lineales o circulares.
Los aceleradores de inducción lineal utilizan cavidades de inducción no resonantes cargadas de ferrita. Se puede considerar cada cavidad como dos grandes discos en forma de arandela conectados por un tubo cilíndrico exterior. Entre los discos hay un toroide de ferrita. Un pulso de voltaje aplicado entre los dos discos provoca un campo magnético creciente que acopla inductivamente energía al haz de partículas cargadas. [20]
El acelerador de inducción lineal fue inventado por Christofilos en los años 60. [21] Los aceleradores de inducción lineal son capaces de acelerar corrientes de haz muy altas (>1000 A) en un único pulso corto. Se han utilizado para generar rayos X para radiografía flash (por ejemplo, DARHT en LANL ) y se han considerado como inyectores de partículas para la fusión por confinamiento magnético y como controladores para láseres de electrones libres .
El Betatron es un acelerador circular de inducción magnética, inventado por Donald Kerst en 1940 para acelerar electrones . El concepto proviene en última instancia del científico noruego-alemán Rolf Widerøe . [22] [23] Estas máquinas, al igual que los sincrotrones, utilizan un imán anular en forma de rosquilla (ver más abajo) con un campo B que aumenta cíclicamente, pero aceleran las partículas por inducción del campo magnético creciente, como si fueran el devanado secundario en un transformador, debido al cambio del flujo magnético a través de la órbita. [24] [25]
Lograr un radio orbital constante mientras se suministra el campo eléctrico acelerado adecuado requiere que el flujo magnético que une la órbita sea algo independiente del campo magnético en la órbita, doblando las partículas en una curva de radio constante. En la práctica, estas máquinas se han visto limitadas por las grandes pérdidas radiativas que sufren los electrones que se mueven casi a la velocidad de la luz en una órbita de radio relativamente pequeño.
En un acelerador lineal de partículas (linac), las partículas se aceleran en línea recta con un objetivo de interés en un extremo. A menudo se utilizan para proporcionar un impulso inicial de baja energía a las partículas antes de inyectarlas en aceleradores circulares. El linac más largo del mundo es el Acelerador Lineal de Stanford , SLAC, que tiene 3 km (1,9 millas) de largo. SLAC era originalmente un colisionador de electrones y positrones , pero ahora es un láser de electrones libres de rayos X.
Los aceleradores lineales de alta energía utilizan una serie lineal de placas (o tubos de deriva) a los que se aplica un campo alterno de alta energía. A medida que las partículas se acercan a una placa, son aceleradas hacia ella por una carga de polaridad opuesta aplicada a la placa. A medida que pasan a través de un agujero en la placa, la polaridad cambia de modo que la placa ahora los repele y ahora son acelerados hacia la siguiente placa. Normalmente se acelera una corriente de "grupos" de partículas, por lo que se aplica un voltaje de CA cuidadosamente controlado a cada placa para repetir continuamente este proceso para cada grupo.
A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la velocidad de conmutación de los campos eléctricos se vuelve tan alta que operan en radiofrecuencias , por lo que en máquinas de mayor energía se utilizan cavidades de microondas en lugar de placas simples.
Los aceleradores lineales también se utilizan mucho en medicina , para radioterapia y radiocirugía . Los linacs de grado médico aceleran los electrones utilizando un klistrón y una compleja disposición de imán de flexión que produce un haz de energía.6-30 MeV . Los electrones se pueden utilizar directamente o se pueden colisionar con un objetivo para producir un haz de rayos X. La confiabilidad, flexibilidad y precisión del haz de radiación producido ha suplantado en gran medida el uso anterior de la terapia con cobalto-60 como herramienta de tratamiento.
En el acelerador circular, las partículas se mueven en círculo hasta alcanzar suficiente energía. La pista de partículas normalmente se dobla formando un círculo mediante electroimanes . La ventaja de los aceleradores circulares sobre los aceleradores lineales ( linacs ) es que la topología de anillo permite una aceleración continua, ya que la partícula puede transitar indefinidamente. Otra ventaja es que un acelerador circular es más pequeño que un acelerador lineal de potencia comparable (es decir, un linac tendría que ser extremadamente largo para tener la potencia equivalente de un acelerador circular).
Dependiendo de la energía y de la partícula que se acelera, los aceleradores circulares tienen la desventaja de que las partículas emiten radiación sincrotrón . Cuando cualquier partícula cargada se acelera emite radiación electromagnética y emisiones secundarias . Como una partícula que viaja en un círculo siempre acelera hacia el centro del círculo, irradia continuamente hacia la tangente del círculo. Esta radiación se llama luz de sincrotrón y depende en gran medida de la masa de la partícula que se acelera. Por esta razón, muchos aceleradores de electrones de alta energía son linacs. Sin embargo, algunos aceleradores ( sincrotrones ) se construyen especialmente para producir luz de sincrotrón ( rayos X ).
Dado que la teoría de la relatividad especial exige que la materia viaje siempre más lentamente que la velocidad de la luz en el vacío , en los aceleradores de alta energía, a medida que aumenta la energía, la velocidad de las partículas se acerca como límite a la velocidad de la luz, pero nunca la alcanza. Por lo tanto, los físicos de partículas generalmente no piensan en términos de velocidad, sino más bien en términos de energía o momento de una partícula , generalmente medido en electronvoltios (eV). Un principio importante para los aceleradores circulares y los haces de partículas en general es que la curvatura de la trayectoria de la partícula es proporcional a la carga de la partícula y al campo magnético, pero inversamente proporcional al momento (típicamente relativista ) .
Los primeros aceleradores circulares operativos fueron los ciclotrones , inventados en 1929 por Ernest Lawrence en la Universidad de California, Berkeley . Los ciclotrones tienen un solo par de placas huecas en forma de D para acelerar las partículas y un único imán dipolo grande para doblar su trayectoria en una órbita circular. Es una propiedad característica de las partículas cargadas en un campo magnético B uniforme y constante que orbitan con un período constante, a una frecuencia llamada frecuencia de ciclotrón , siempre que su velocidad sea pequeña en comparación con la velocidad de la luz c . Esto significa que las D de aceleración de un ciclotrón pueden ser impulsadas a una frecuencia constante por una fuente de energía de aceleración de RF, mientras el haz gira en espiral hacia afuera continuamente. Las partículas se inyectan en el centro del imán y se extraen por el borde exterior con su máxima energía.
Los ciclotrones alcanzan un límite de energía debido a efectos relativistas mediante los cuales las partículas efectivamente se vuelven más masivas, de modo que su frecuencia de ciclotrón no está sincronizada con la RF acelerada. Por lo tanto, los ciclotrones simples pueden acelerar protones sólo hasta una energía de alrededor de 15 millones de electronvoltios (15 MeV, correspondientes a una velocidad de aproximadamente el 10% de c ), porque los protones se desfasan con el campo eléctrico impulsor. Si se acelerara más, el haz continuaría girando en espiral hacia afuera a un radio mayor, pero las partículas ya no ganarían suficiente velocidad para completar el círculo más grande al ritmo de la RF acelerada. Para adaptarse a los efectos relativistas, es necesario aumentar el campo magnético a radios más altos, como se hace en los ciclotrones isócronos . Un ejemplo de ciclotrón isócrono es el ciclotrón de anillo PSI de Suiza, que proporciona protones con una energía de 590 MeV, que corresponde aproximadamente al 80% de la velocidad de la luz. La ventaja de un ciclotrón de este tipo es la corriente máxima de protones extraída que se puede alcanzar, que actualmente es de 2,2 mA. La energía y la corriente corresponden a una potencia del haz de 1,3 MW, que es la más alta de todos los aceleradores existentes actualmente.
Un ciclotrón clásico se puede modificar para aumentar su límite de energía. Históricamente, el primer método fue el sincrociclotrón , que acelera las partículas en haces. Utiliza un campo magnético constante , pero reduce la frecuencia del campo de aceleración para mantener el paso de las partículas mientras giran en espiral hacia afuera, igualando su frecuencia de resonancia del ciclotrón dependiente de la masa . Este enfoque adolece de una baja intensidad promedio del haz debido a la agrupación y, nuevamente, de la necesidad de un imán enorme de gran radio y campo constante en la órbita más grande que exige la alta energía.
El segundo enfoque al problema de la aceleración de partículas relativistas es el ciclotrón isócrono . En tal estructura, la frecuencia del campo de aceleración (y la frecuencia de resonancia del ciclotrón) se mantiene constante para todas las energías dando forma a los polos del imán para aumentar el campo magnético con el radio. Por tanto, todas las partículas se aceleran en intervalos de tiempo isócronos . Las partículas de mayor energía viajan una distancia más corta en cada órbita que en un ciclotrón clásico, permaneciendo así en fase con el campo de aceleración. La ventaja del ciclotrón isócrono es que puede emitir haces continuos de intensidad media más alta, lo que resulta útil para algunas aplicaciones. Las principales desventajas son el tamaño y el costo del gran imán necesario y la dificultad para lograr los altos valores del campo magnético requeridos en el borde exterior de la estructura.
No se han construido sincrociclotrones desde que se desarrolló el ciclotrón isócrono.
Para alcanzar energías aún mayores, con masa relativista acercándose o superando la masa en reposo de las partículas (para los protones, miles de millones de electronvoltios o GeV ), es necesario utilizar un sincrotrón . Se trata de un acelerador en el que las partículas se aceleran en un anillo de radio constante. Una ventaja inmediata sobre los ciclotrones es que el campo magnético sólo necesita estar presente en la región real de las órbitas de las partículas, que es mucho más estrecha que la del anillo. (El ciclotrón más grande construido en los EE. UU. tenía un polo magnético de 4,7 m (184 pulgadas) de diámetro, mientras que el diámetro de los sincrotrones como el LEP y el LHC es de casi 10 km. La apertura de los dos haces del LHC es del orden de un centímetro.) El LHC contiene 16 cavidades de RF, 1232 imanes dipolares superconductores para dirigir el haz y 24 cuadrupolos para enfocar el haz. [26] Incluso con este tamaño, el LHC está limitado por su capacidad para dirigir las partículas sin que queden a la deriva. Se teoriza que este límite ocurre a 14 TeV. [27]
Sin embargo, dado que el momento de la partícula aumenta durante la aceleración, es necesario aumentar el campo magnético B en proporción para mantener la curvatura constante de la órbita. En consecuencia, los sincrotrones no pueden acelerar partículas continuamente, como pueden hacerlo los ciclotrones, sino que deben operar cíclicamente, suministrando partículas en racimos, que se entregan a un objetivo o a un haz externo en "derrames" de haz generalmente cada pocos segundos.
Dado que los sincrotrones de alta energía realizan la mayor parte de su trabajo sobre partículas que ya viajan casi a la velocidad de la luz c , el tiempo para completar una órbita del anillo es casi constante, al igual que la frecuencia de los resonadores de la cavidad de RF utilizados para impulsar la aceleración. .
En los sincrotrones modernos, la apertura del haz es pequeña y el campo magnético no cubre toda el área de la órbita de la partícula como ocurre en un ciclotrón, por lo que se pueden separar varias funciones necesarias. En lugar de un imán enorme, tenemos una línea de cientos de imanes flexibles que encierran (o encierran) tuberías de conexión de vacío. El diseño de sincrotrones se revolucionó a principios de la década de 1950 con el descubrimiento del concepto de enfoque fuerte . [28] [29] [30] El enfoque del haz se maneja de forma independiente mediante imanes cuadrupolos especializados , mientras que la aceleración en sí se logra en secciones de RF separadas, bastante similares a los aceleradores lineales cortos. [31] Además, no es necesario que las máquinas cíclicas sean circulares, sino que el tubo del haz puede tener secciones rectas entre imanes donde los haces pueden chocar, enfriarse, etc. Esto se ha convertido en un tema completamente separado, llamado "física del haz". o "óptica de haz". [32]
Los sincrotrones modernos más complejos, como el Tevatron, el LEP y el LHC, pueden transportar los grupos de partículas a anillos de almacenamiento de imanes con un campo magnético constante, donde pueden continuar en órbita durante largos períodos para experimentar o acelerar aún más. Las máquinas de mayor energía, como el Tevatron y el LHC, son en realidad complejos de aceleradores, con una cascada de elementos especializados en serie, incluidos aceleradores lineales para la creación inicial del haz, uno o más sincrotrones de baja energía para alcanzar la energía intermedia, anillos de almacenamiento donde se pueden almacenar los haces. acumulado o "enfriado" (lo que reduce la apertura del imán requerida y permite un enfoque más preciso; ver enfriamiento del haz ), y un último anillo grande para la aceleración y experimentación final.
Los aceleradores circulares de electrones cayeron en desgracia para la física de partículas en la época en que se construyó el acelerador lineal de partículas SLAC , porque sus pérdidas de sincrotrón se consideraban económicamente prohibitivas y porque la intensidad de su haz era menor que la de las máquinas lineales no pulsadas. El Sincrotrón de Electrones de Cornell , construido a bajo coste a finales de los años 1970, fue el primero de una serie de aceleradores de electrones circulares de alta energía construidos para la física fundamental de partículas, siendo el último el LEP , construido en el CERN, que se utilizó desde 1989 hasta 2000.
En las últimas dos décadas se ha construido una gran cantidad de sincrotrones de electrones, como parte de fuentes de luz de sincrotrón que emiten luz ultravioleta y rayos X; vea abajo.
Algunos aceleradores circulares se han construido para generar deliberadamente radiación (llamada luz sincrotrón ) como rayos X, también llamada radiación sincrotrón, por ejemplo la Fuente de Luz Diamante que se ha construido en el Laboratorio Rutherford Appleton en Inglaterra o la Fuente de Fotones Avanzada en el Laboratorio Nacional Argonne. en Illinois , Estados Unidos. Los rayos X de alta energía son útiles para la espectroscopia de rayos X de proteínas o la estructura fina de absorción de rayos X (XAFS), por ejemplo.
La radiación de sincrotrón es emitida con mayor potencia por partículas más ligeras, por lo que estos aceleradores son invariablemente aceleradores de electrones . La radiación sincrotrón permite obtener mejores imágenes según lo investigado y desarrollado en SPEAR de SLAC .
Aceleradores de gradiente alterno de campo fijo (FFA) , en los que un campo magnético fijo en el tiempo, pero con una variación radial para lograr un fuerte enfoque , permite acelerar el haz con una alta tasa de repetición pero con una dispersión radial mucho menor. que en el caso del ciclotrón. Los FFA isócronos, al igual que los ciclotrones isócronos, logran un funcionamiento de haz continuo, pero sin la necesidad de un enorme imán de flexión dipolo que cubra todo el radio de las órbitas. Se tratan algunas novedades en materia de FFA. [33]
Un Rhodotron es un acelerador de electrones industrial propuesto por primera vez en 1987 por J. Pottier de la Agencia Francesa de Energía Atómica (CEA) , [34] fabricado por la empresa belga Ion Beam Applications . Acelera los electrones recirculándolos a lo largo del diámetro de una cavidad de radiofrecuencia en forma de cilindro. Un rodotrón tiene un cañón de electrones, que emite un haz de electrones que es atraído por un pilar en el centro de la cavidad. El pilar tiene agujeros por los que pueden pasar los electrones. El haz de electrones pasa a través del pilar a través de uno de estos orificios y luego viaja a través de un orificio en la pared de la cavidad y se encuentra con un imán de flexión, luego el haz se dobla y se envía de regreso a la cavidad, a otro orificio en el pilar. Luego, los electrones vuelven a cruzar el pilar y pasan a través de otra parte de la pared de la cavidad hacia otro imán de flexión, y así sucesivamente, aumentando gradualmente la energía del haz hasta que se le permite salir de la cavidad para su uso. El cilindro y el pilar pueden estar revestidos de cobre por dentro. [35] [36] [37]
El primer ciclotrón de Ernest Lawrence tenía apenas 100 mm (4 pulgadas) de diámetro. Más tarde, en 1939, construyó una máquina con una cara de polo de 60 pulgadas de diámetro y en 1942 planeó una con un diámetro de 184 pulgadas , que, sin embargo, fue asumida para trabajos relacionados con la Segunda Guerra Mundial relacionados con la separación de isótopos de uranio ; después de la guerra continuó al servicio de la investigación y la medicina durante muchos años.
El primer gran sincrotrón de protones fue el Cosmotrón del Laboratorio Nacional Brookhaven , que aceleró protones a aproximadamente 3 GeV (1953-1968). El Bevatron en Berkeley, terminado en 1954, fue diseñado específicamente para acelerar protones a energía suficiente para crear antiprotones y verificar la simetría partícula-antipartícula de la naturaleza, algo que entonces solo se teorizaba. El sincrotrón de gradiente alterno (AGS) en Brookhaven (1960–) fue el primer sincrotrón grande con imanes de " enfoque fuerte " de gradiente alterno, que reducían en gran medida la apertura requerida del haz y, en consecuencia, el tamaño y el costo de los imanes de flexión. El sincrotrón de protones , construido en el CERN (1959–), fue el primer gran acelerador de partículas europeo y, en general, similar al AGS.
El acelerador lineal de Stanford , SLAC, entró en funcionamiento en 1966, acelerando electrones hasta 30 GeV en una guía de ondas de 3 km de longitud, enterrada en un túnel y alimentada por cientos de grandes klistrones . Sigue siendo el acelerador lineal más grande que existe y se ha mejorado con la adición de anillos de almacenamiento y un colisionador de electrones y positrones. También es una fuente de fotones sincrotrón de rayos X y UV.
El Fermilab Tevatron tiene un anillo con una trayectoria del haz de 4 millas (6,4 km). Ha recibido varias mejoras y ha funcionado como un colisionador protón-antiprotón hasta que fue cerrado debido a recortes presupuestarios el 30 de septiembre de 2011. El acelerador circular más grande jamás construido fue el sincrotrón LEP del CERN con una circunferencia de 26,6 kilómetros, que fue un colisionador de electrones y positrones . Alcanzó una energía de 209 GeV antes de ser desmantelado en el año 2000 para poder utilizar el túnel para el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El LHC es un colisionador de protones y actualmente el acelerador más grande y de mayor energía del mundo, alcanzando una energía de 6,5 TeV por haz (13 TeV en total).
El supercolisionador superconductor (SSC) abortado en Texas habría tenido una circunferencia de 87 km. La construcción se inició en 1991, pero se abandonó en 1993. Invariablemente se construyen aceleradores circulares de gran tamaño en túneles de unos pocos metros de ancho para minimizar las perturbaciones y el costo de construir una estructura de este tipo en la superficie y para proporcionar protección contra las intensas radiaciones secundarias que se producen. que son extremadamente penetrantes a altas energías.
Los aceleradores actuales, como el Spallation Neutron Source , incorporan criomódulos superconductores . El Colisionador Relativista de Iones Pesados y el Gran Colisionador de Hadrones también utilizan imanes superconductores y resonadores de cavidad de RF para acelerar partículas.
La salida de un acelerador de partículas generalmente puede dirigirse hacia múltiples líneas de experimentos, una a la vez, mediante un electroimán desviador . Esto hace posible realizar múltiples experimentos sin necesidad de mover cosas o apagar todo el haz del acelerador. A excepción de las fuentes de radiación de sincrotrón, el objetivo de un acelerador es generar partículas de alta energía para interactuar con la materia.
Suele ser un objetivo fijo, como la capa de fósforo de la parte posterior de la pantalla en el caso de un tubo de televisión; un trozo de uranio en un acelerador diseñado como fuente de neutrones; o un objetivo de tungsteno para un generador de rayos X. En un linac, el objetivo simplemente se coloca al final del acelerador. La trayectoria de las partículas en un ciclotrón es una espiral que sale del centro de la máquina circular, por lo que las partículas aceleradas emergen de un punto fijo como en un acelerador lineal.
En el caso de los sincrotrones, la situación es más compleja. Las partículas se aceleran hasta alcanzar la energía deseada. Luego, se utiliza un imán dipolar de acción rápida para sacar las partículas del tubo sincrotrón circular y dirigirlas hacia el objetivo.
Una variación comúnmente utilizada para la investigación de la física de partículas es un colisionador , también llamado colisionador de anillo de almacenamiento . Se construyen dos sincrotrones circulares muy próximos, normalmente uno encima del otro y utilizando los mismos imanes (que luego tienen un diseño más complicado para acomodar ambos tubos de haz). Montones de partículas viajan en direcciones opuestas alrededor de los dos aceleradores y chocan en las intersecciones entre ellos. Esto puede aumentar enormemente la energía; Mientras que en un experimento con objetivo fijo la energía disponible para producir nuevas partículas es proporcional a la raíz cuadrada de la energía del haz, en un colisionador la energía disponible es lineal.
Los detectores recopilan pistas sobre las partículas, incluida su velocidad y carga, y con ellas los científicos pueden trabajar con la partícula. El proceso de detección es muy complejo y requiere potentes electroimanes y aceleradores.
Actualmente, los aceleradores de mayor energía son todos colisionadores circulares, pero tanto los aceleradores de hadrones como los de electrones están llegando a sus límites. Los aceleradores cíclicos de iones y hadrones de mayor energía requerirán túneles aceleradores de mayor tamaño físico debido a la mayor rigidez del haz .
Para los aceleradores de electrones cíclicos, un límite en el radio de curvatura práctico lo imponen las pérdidas de radiación de sincrotrón y la próxima generación probablemente serán aceleradores lineales 10 veces la longitud actual. Un ejemplo de un acelerador de electrones de próxima generación es el propuesto Colisionador Lineal Internacional de 40 km de longitud .
Se cree que la aceleración del campo de estela de plasma en forma de "posquemadores" de haces de electrones y pulsadores láser independientes podría proporcionar aumentos dramáticos en la eficiencia con respecto a los aceleradores de RF dentro de dos o tres décadas. En los aceleradores de plasma Wakefield, la cavidad del haz se llena con plasma (en lugar de vacío). Un breve pulso de electrones o de luz láser constituye o precede inmediatamente a las partículas que se aceleran. El pulso altera el plasma, lo que hace que las partículas cargadas del plasma se integren y se muevan hacia la parte trasera del grupo de partículas que se están acelerando. Este proceso transfiere energía al grupo de partículas, acelerándolo aún más, y continúa mientras el pulso sea coherente. [38]
Se han logrado gradientes de energía de hasta 200 GeV/m en distancias de escala milimétrica utilizando pulsadores láser [39] y se están produciendo gradientes cercanos a 1 GeV/m en la escala de varios centímetros con sistemas de haces de electrones, en contraste con una límite de aproximadamente 0,1 GeV/m sólo para la aceleración de radiofrecuencia. Los aceleradores de electrones existentes, como el SLAC , podrían utilizar postquemadores de haces de electrones para aumentar considerablemente la energía de sus haces de partículas, a costa de la intensidad del haz. Los sistemas electrónicos en general pueden proporcionar haces confiables y estrechamente colimados; Los sistemas láser pueden ofrecer más potencia y compacidad. Por lo tanto, los aceleradores de plasma Wakefield podrían utilizarse (si se pueden resolver los problemas técnicos) tanto para aumentar la energía máxima de los aceleradores más grandes como para llevar altas energías a los laboratorios universitarios y los centros médicos.
Un acelerador láser dieléctrico ha logrado gradientes superiores a 0,25 GeV/m, lo que puede presentar otro enfoque viable para construir aceleradores compactos de alta energía. [41] Utilizando pulsos láser de duración de femtosegundos, se registró un gradiente de aceleración de electrones de 0,69 GeV/m para aceleradores láser dieléctricos. [42] gradientes más altos del orden deTras nuevas optimizaciones se prevén entre 1 y 6 GeV/m . [43]
Advanced Accelerator Concepts abarca métodos de aceleración de haz con gradientes más allá del estado del arte en instalaciones operativas. Esto incluye métodos de diagnóstico, tecnología de sincronización, necesidades especiales de inyectores, adaptación de haces, dinámica de haces y desarrollo de simulaciones adecuadas. Se están llevando a cabo talleres dedicados a este tema en los EE. UU. (lugares alternos) y en Europa, principalmente en la Isla de Elba . La serie de talleres de conceptos avanzados de aceleradores, celebrada en los EE. UU., [44] comenzó como una serie internacional en 1982. [45] La serie de talleres europeos de conceptos avanzados de aceleradores comenzó en 2019. [46] Temas relacionados con conceptos avanzados de aceleradores:
Según el problema de dispersión inversa , cualquier mecanismo por el cual una partícula produce radiación (donde la energía cinética de la partícula se transfiere al campo electromagnético ), se puede invertir de modo que el mismo mecanismo de radiación conduzca a la aceleración de la partícula (energía de la el campo de radiación se transfiere a la energía cinética de la partícula). Lo contrario también es cierto: cualquier mecanismo de aceleración se puede invertir para depositar la energía de la partícula en un campo desacelerador, como en un sistema de recuperación de energía cinética . Esta es la idea que permite un linac de recuperación energética . Este principio, que también está detrás de los aceleradores de plasma o dieléctricos de wakefield, condujo a algunos otros desarrollos interesantes en conceptos avanzados de aceleradores:
En el futuro, puede surgir la posibilidad de que se produzcan agujeros negros en los aceleradores de mayor energía si ciertas predicciones de la teoría de supercuerdas son precisas. [50] [51] Esta y otras posibilidades han llevado a preocupaciones de seguridad pública que han sido ampliamente reportadas en relación con el LHC , que comenzó a operar en 2008. Se ha evaluado que los diversos escenarios peligrosos posibles no presentan "ningún peligro concebible" en el última evaluación de riesgos realizada por el Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC. [52] Si se producen agujeros negros, se predice teóricamente que estos pequeños agujeros negros deberían evaporarse extremadamente rápidamente a través de la radiación de Bekenstein-Hawking , pero esto aún no está confirmado experimentalmente. Si los colisionadores pueden producir agujeros negros, los rayos cósmicos (y en particular los rayos cósmicos de energía ultraalta , UHECR) deben haber estado produciéndolos durante eones, pero aún no han dañado a nadie. [53] Se ha argumentado que para conservar energía y momento, cualquier agujero negro creado en una colisión entre un UHECR y materia local necesariamente se produciría moviéndose a una velocidad relativista con respecto a la Tierra, y debería escapar al espacio, a medida que su acreción y la tasa de crecimiento debería ser muy lenta, mientras que los agujeros negros producidos en colisionadores (con componentes de igual masa) tendrían alguna posibilidad de tener una velocidad menor que la velocidad de escape de la Tierra, 11,2 km por segundo, y serían susceptibles de captura y posterior crecimiento. Sin embargo, incluso en tales escenarios, las colisiones de UHECR con enanas blancas y estrellas de neutrones conducirían a su rápida destrucción, aunque se observa que estos cuerpos son objetos astronómicos comunes. Por lo tanto, si se quieren producir microagujeros negros estables, deben crecer demasiado lentamente para causar efectos macroscópicos perceptibles durante la vida natural del sistema solar. [52]
El uso de tecnologías avanzadas como la superconductividad, la criogenia y los amplificadores de radiofrecuencia de alta potencia, así como la presencia de radiaciones ionizantes, plantean desafíos para la operación segura de las instalaciones de aceleradores. [54] [55] Un operador de acelerador controla el funcionamiento de un acelerador de partículas, ajusta los parámetros operativos como la relación de aspecto , la intensidad de la corriente y la posición en el objetivo. Se comunican y ayudan al personal de mantenimiento del acelerador para garantizar la preparación de los sistemas de soporte, como vacío , imanes , fuentes y controles de energía magnética y de radiofrecuencia , y sistemas de enfriamiento. Además, el operador del acelerador mantiene un registro de los eventos relacionados con el acelerador.
