Artículo cedido por Fran Sevilla, autor del blog: www.vega0.0.com
En alguna ocasión todos hemos oído hablar de un acelerador de partículas. En concreto, en Julio de 2012, el LHC saltó a la primera plana informativa al realizar el anuncio del descubrimiento de un bosón de Higgs. Los aceleradores de partículas constituyen uno de los máximos exponentes del desarrollo tecnológico y científico de humanidad. Son auténticas catedrales del conocimiento.
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Tevatrón del Fermilab. |
Básicamente un acelerador de partículas consiste en una máquina que mediante un campo eléctrico logra acelerar partículas tales como electrones, protones e iones pesados a muy altas energías, haciéndolas colisionar contra un blanco u otras partículas. Dicha colisión permite explorar la estructura de la materia y, dadas las altas energías existentes, la creaciones de nuevas partículas durante breves instantes de tiempo (como así ocurrió con el bosón de Higgs).
Los primeros fueron construidos en los años 30 del siglo pasado y se basaban en el uso de corriente continua. Un ejemplo es el Van de Graaff, cuyo haz tenía una energía de 20 MeV. Sin embargo, rápidamente surgió la necesidad de mayores energías, y este tipo de aceleradores se quedaban cortos. El uso de corriente continua fue cambiado en los años 60 del siglo pasado por el de corriente alterna y radiofrecuencia. Estos permitían logran mayores energía y comenzaron a construirse los colisionadores de haces de electrón-positrón, protón-antiprotón, protón-protón, electrón-protón e ion-ion. El ejemplo más destacado lo constituye el LHC del CERN, que alcanza los 7 TeV.
Pero no todos los aceleradores son iguales, como ya se puede deducir del párrafo anterior. Los primeros funcionaban con corriente alterna, y los segundos con radiofrecuencia. Sin embargo, también existen diversos tiempo de aceleradores de radiofrecuencia. Así pues, los aceleradores de radiofrecuencia pueden ser lineales, orbitales o colisionadores.
El electrón-Volt
Cuando se habla de aceleradores, surge un término que nos delata la capacidad del instrumento: el electrón-Volt. Abreviado con eV, un electrón-Volt es la energía que adquiere una carga eléctrica elemental de valor e al experimentar una caída de potencial de 1 voltio. Esto equivale a 1,6021x10^(-12) ergios.
Durante el artículo pocas veces nos referiremos propiamente al eV, si no que hablaremos de unidades como el MeV, el GeV y el TeV. 1 KeV (kilo electrón-Volt) equivale a 1.000 eV. 1 MeV (mega electrón-Volt) equivale a 1.000.000 eV. 1 GeV (giga electrón-Volt) equivale a 1.000 MeV, y 1 TeV (tera electrón-Volt) equivale a 1.000 GeV. Para hacernos una idea del orden de magnitud de estas cantidades, normalmente la energía de enlace entre átomos es de varios eV, en física nuclear el orden de magnitud es de MeV, mientras que en interacciones de alta energía suele ser del orden del GeV.
Estructura de un acelerador
Como ya comentamos, hay diferentes tipos de aceleradores, y por tanto su estructura es diferente. Sin embargo, en la mayor parte de los casos, todos comparten una serie de secciones funcionales comunes, que son las que detallamos a continuación:
- Fuente de iones: Se encarga de generar la materia prima del acelerador: los electrones, protones, iones de oxígeno, iones de calcio,... Normalmente los electrones se generan usando un filamento incandescente, mientras que los protones se generan actuando sobre átomos de hidrógeno con una fuente de radiofrecuencia.
- Óptica: Se entiende como óptica la parte encargada de dirigir las partículas generadas en la fuente de iones a lo largo de la trayectoria deseada. Básicamente está compuesta por elementos eléctricos y magnéticos, destacando los imanes dipolares (que curvan las trayectorias) y los imanes cuadrupolares (que focalizan el haz de partículas).
- Sección de vacío: Durante su recorrido, a medida que ganan energía, es fundamental que el haz de partículas generadas, interaccionen lo mínimo posible con otra materia, para evitar su dispersión. Lo ideal es que no interaccione, de modo que viajan a través de una sección donde previamente se ha logrado el vacío. El vacío logrado en estos aceleradores es muy alto, rondando los 0,000000001 torr (el torr es una unidad de presión. 760 torr equivalen a 760 mm de mercurio -1 atmósfera de presión-).
- Sistema de aceleración: También denominado cavidad de radiofrecuencia, es el encargado de aumentar la velocidad de las partículas.
- Zona de impacto: Es el final del experimento. El impacto puede ocurrir contra un blanco fijo (con un detector incorporado) o entre dos haces de partículas viajando en sentido contrario (analizando los restos con un espectrómetro). Esta sección es uno de los elementos diferenciadores entre las clases de aceleradores existentes.