Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares




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fecha de publicación04.01.2016
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INGENIARE

Aplicaciones del electromagnetismo

17




ACELERADORES DE PARTÍCULAS

Universidad Nacional de Colombia

Departamento de Ingeniería quimica

Carlos Arturo Céspedes Zambrano

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Introducción

Dentro de las preguntas que siempre hemos tratado de resolver tenemos el poder conocer el inicio de las cosas, el principio de toda cosa existente en el universo, y que mejor que poder hacer un análisis a fondo de cada una de las partículas que componen toda la materia llegando cada vez más a fondo y poder descubrir una partícula que sea la base de todo. Un dispositivo o equipo que nos ayuda a entender mucho este campo es el acelerador de partículas, este fusiona conceptos químicos y físicos que permiten detallar y entender y descubrir cada una de las partículas por el modo de comportamiento especifico para cada partícula que permite caracterizarlas e identificarlas gracias a la diferencia de sus propiedades.


Aceleradores de partícula

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además, estos instrumentos son capaces de contener estas partículas. Un acelerador puede ser desde un tubo de rayos catódicos ordinario, de los que forman parte de los televisores domésticos comunes o de los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia.

Existen dos tipos básicos de aceleradores: por un lado los lineales y por otro los circulares:

Aceleradores de bajas energías


Los aceleradores de partículas no son aparatos exclusivos de laboratorios sofisticados, sino que también se encuentran muy presentes en la vida cotidiana de las personas, en forma de aceleradores de bajas energías. Ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los televisores o monitores de ordenador (los modelos antiguos que utilizan tubos de rayos catódicos, los cuales pueden considerarse aceleradores lineales de una sola etapa) o los aparatos de rayos X que pueden encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales. Estos aceleradores de bajas energías utilizan un único par de electrodos a los que se les aplica una diferencia de potencial, directamente, de algunos miles de voltios.

Los aceleradores lineales de altas energías

Utilizan un conjunto de placas o tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

Aceleradores circulares

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas configuraciones teóricamente de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas. La emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

La papel que desempeña el electromagnetismo para que los aceleradores de partículas funcionen es muy importante para entender un poco como funcionan haremos una breve descripción de los principios básicos que rigen el comportamiento del acelerador de partículas.

Ecuaciones de Lorentz


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8c/lorentz_force.svg/250px-lorentz_force.svg.png

Representación gráfica de la fuerza de Lorentz (solo la parte debida al campo magnético, representado con dirección perpendicular a la pantalla y sentido hacia fuera de la misma).

Todos los aceleradores se rigen por las ecuaciones básicas del electromagnetismo desarrolladas por Maxwell. Sin embargo, existe una ecuación muy sencilla que sirve para definir las fuerzas que actúan en cada tipo de acelerador. Esta es la ecuación o ecuaciones (cuando se usan de forma separada) de Lorentz. La ecuación puede escribirse de forma básica como:

\vec f = q \cdot (\vec {e} + \vec{v} \times \vec{b})

donde \vec f es la fuerza que sufre la partícula cargada dentro del campo electromagnético, q es la carga de la partícula cargada (-1 para el electrón, +1 para el positrón o el protón, y mayores para núcleos pesados), \vec {e}es el valor del campo eléctrico, \vec{b}el campo magnético y \vec{v}la velocidad de la partícula.

Movimiento circular

Una partícula cargada describe una semicircunferencia en un campo magnético uniforme. La fuerza sobre la partícula viene dada por el producto vectorial Fm=q·vxB, Su módulo es Fm=q·vB, su dirección radial y su sentido hacia el centro de la circunferencia

ciclo_5.gif (2011 bytes)

 

Aplicando la segunda ley de Newton al movimiento circular uniforme, obtenemos el radio de la circunferencia.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/ciclotron/image55.gif

El tiempo que tarda en describir una semicircunferencia es por tanto, independiente del radio r de la órbita

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Aceleración del ión

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/ciclotron/ciclo_2.gif

El ión es acelerado por el campo eléctrico existente entre las placas. Incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las placas.

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Cuando el ión completa una semicircunferencia en el tiempo constante P1/2, se invierte la polaridad por lo que es nuevamente acelerado por el campo existente en la región intermedia. De nuevo, incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las placas.

La energía final del ión es nqV, siendo n el número de veces que pasa por la región entre las placas.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo.[] Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Una vez enfriado hasta su temperatura de funcionamiento, que es de 1,9 K (menos de 2 grados por encima del cero absoluto o −271,15 °C). A fines de 2009 fue puesto en marcha, y el 30 de noviembre de ese año se convirtió en el acelerador de partículas más potente al conseguir energías de 1,18 TeV en sus haces, superando el récord anterior de 0,98 TeV establecido por el Tevatrón estadounidense.[] El 30 de marzo de 2010 las primeras colisiones de protones del LHC alcanzaron una energía de 7 TeV (al chocar dos haces de 3,5 TeV cada uno) lo que significó un nuevo récord para este tipo de ensayos. El colisionador funcionará a medio rendimiento durante dos años, al cabo de los cuales se proyecta llevarlo a su potencia máxima de 14 TeV.[]

Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia de la partícula conocida como bosón de Higgs, a veces llamada "partícula de Dios"[] o “partícula de la masa”. La observación de esta partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar de la física, pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales adquieren propiedades como la masa.[]

Verificar la existencia del bosón de Higgs sería un paso significativo en la búsqueda de una teoría de la gran unificación, que pretende relacionar tres de las cuatro fuerzas fundamentales conocidas, quedando fuera de ella únicamente la gravedad. Además este bosón podría explicar por qué la gravedad es tan débil comparada con las otras tres fuerzas. Junto al bosón de Higgs también podrían producirse otras nuevas partículas que fueron predichas teóricamente, y para las que se ha planificado su búsqueda,[] como los strangelets, los micro agujeros negros, el monopolo magnético o las partículas supersimétricas.[]

Gran parte de las cosas que podemos ver en este articulo nos demuestran que gran parte de los aportes que se tuvieron hace mucho tiempo en el campo del electromagnetismo han sido utilizados y aprovechados en nuestra actualidad dándonos la posibilidad de entender un poco mejor el mundo a la vez poder utilizar de forma mas adecuada nuestros recursos o incluso utilizar recursos que nunca habíamos utilizado.

Bibliografía



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