Acelerador de Partículas

Acercándonos al LHC

Los aceleradores funcionan con partículas cargadas que son aceleradas hasta velocidades próximas a la de la luz. Mediante las colisiones de estas partículas de muy alta energía entre ellas, o contra un blanco fijo, los científicos son capaces de extraer información de los más pequeños componentes de la materia. En esos choques, nuevas partículas son creadas, lo que proporciona valiosos datos para la Física de Partículas. En cierto sentido, los aceleradores de partículas son los "super microscopios" de hoy.

Un tubo de rayos catódicos (TRC) de un televisor tradicional es una forma simple de acelerador de partículas (electróns).


Hay dos tipos básicos de aceleradores: lineales y circulares.

Normalmente, conectamos los acelerador lineales con colisiones contra un blanco fijo y los circulares con colisiones frontales, pero ambos tipos de aceleradores pueden ser usados para ambos tipos. Sobre las diferencias en términos de energía de ambos casos ver...

Una breve descripción de las ventajas e inconvientes de cada uno de ellos puede consultarse aquí...


 ACELERADOR LINEAL

Un acelerador lineal de partículas (también llamado linac) es un dispositivo eléctrico que mediante un diseño lineal acelera partículas subatómicas. Las características dependerán del tipo de partículas que van a ser aceleradas: electrones, protones o iones. Los tamaños van desde el tubo de rayos catódicos, a los 3,4 km del Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en California.

Quizás, el acelerador que tome el relevo al LHC en el futuro, en ciertas investigaciones sobre Física de Partículas, sea un acelerador lineal de electrones (CLIC o ILC).

El primer acelerador de partículas en la cadena de aceleradores del CERN es un acelerador lineal: LINAC4.


ACELERADOR CIRCULAR

En un acelerador circular, las partículas se mueven en una trayectoria casi circular hasta alcanzar la energía necesaria. Esa trayectoria se consigue usando potentes campos magnéticos. La ventaja sobre los lineales es que de esa forma podemos mantener una continua acelera-ción, dado que las partículas pueden circular todo el tiempo que se necesite. Otra ventaja es que son relativamente más pequeños que los aceleradores lineales de potencia semejante.

Dependiendo de la energía y del tipo de partículas aceleradas, los aceleradores circulares diseñados para la Física de Partículas tienen la desventaja de emitir radiación sincrotrón. Esto provoca una continua pérdida de energía y los problemas asociados a la presencia de este tipo de radiación.

Es importante tener en cuenta que un acelerador circular noes completamente circular, sino que está formado por arcos entre los que van insertadas partes rectas en las que están instalados: los puntos de interacción (con los detectores que registran los eventos producidos), zonas de inyecciones de las partículas (que poseen alta velocidad alcanzada en aceleradores previos), cavidades de radiofrecuencia (en las que se proporciona energía a las particulas hasta el máximo valor), zonas de colimación (para mantener los haces -beams- de partículas con la configuración idónea), y zonas de extracción en las que se retiran los paquetes de partículas -bunches- cuando ya no poseen las características necesarias para tener el número requerido de colisiones en las zonas de interacción.

Por otra parte, en esas partes rectas los haces de partículas cargadas no generan radiación sincrotrón (que sí se produce en las partes curvas) evitándose así que se dañen los detectores, colimadores, dispositivos de inyección y de extracción, cavidades de radiofrecuencia, etc.

El LHC, PSB, PS y SPS que forman la cadena de aceleradors del CERN son todos aceleradors circulares. También lo es el gran acelerador del futuro FCC.


Resumiendo

La ventaja de un acelerador circular sobre un acelerador lineal es que las partículas en un acelerador circular (sincrotrón) reciben sucesivos impulsos en cada vuelta, por lo que pueden proporcionar partículas de muy alta energía sin tener que poseer una longitud enorme. Además, el hecho de que las partículas den muchas vueltas significa que hay muchas posibilidades de colisión en los puntos donde se cruzan los haces de partículas.

Por contra, los aceleradores lineales son mucho más fáciles de construir que los circulares, ya que no necesitan los grandes imanes necesarios para someter a las partículas a la trayectoria circular. Además, las partículas cargadas en el acelerador circular irradian energían constantemente (radiación sincrotrón), siendo esta más grande cuanto menor es la masa.

Por ello se consideran aceleradores lineales para electrones/positrones (proyectos CLIC o ILC) y circulares para protones/antiprotones (como Tevatron del Fermilab, el LHC o el FCC).



ACELERADORES CÓSMICOS

(Tomado de Cosmic rays: particles from outer space)

¿Cómo alcanzan los rayos cósmicos energías tan elevadas? ¿Dónde están los aceleradores naturales? Los rayos cósmicos de menor energía llegan desde el Sol en una corriente de partículas cargadas conocida como viento solar, pero precisar el origen de las partículas de mayor energía resulta difícil, ya que sus trayectorias se curvan en los campos magnéticos del espacio interestelar.

El estudio de los rayos gamma de alta energía procedentes del espacio exterior ha aportado pistas. Éstos son mucho menos numerosos que los rayos cósmicos cargados, pero al ser eléctricamente neutros no se ven influidos por los campos magnéticos. Generan lluvias de partículas secundarias que pueden detectarse en la Tierra y que apuntan hacia el punto de origen de los rayos gamma. Las fuentes de los rayos gamma de mayor energía en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, incluyen los restos de supernovas, como la famosa Nebulosa del Cangrejo; las ondas de choque de estas explosiones estelares se han propuesto desde hace tiempo como posibles aceleradores naturales. Otras fuentes de rayos gamma de muy alta energía se encuentran en otras galaxias, donde objetos exóticos como los agujeros negros supermasivos pueden impulsar la aceleración. También hay pruebas de que los rayos cósmicos cargados de mayor energía también tienen orígenes similares en otras galaxias.


El siguiente suceso ocurrido en 2021 nos sirve de ejemplo.

(Tomado de Cosmic Particle Accelerator. Europhysicsnews, In the Spotlights, 53 (2) 9, 2022)

El 8 de agosto de 2021, la Nova RS Ophiuchi volvió a explosionar. La explosión fue seguida en tiempo real por los telescopios de rayos gamma H.E.S.S. en Namibia.

Las observaciones revelaron un acelerador de partículas cósmicas con un detalle sin precedentes.

La Nova RS Ophiuchi comprende una enana blanca en un sistema binario con una gran estrella de la que recoge continuamente nuevo material. Cuando el material recogido supera un nivel crítico, se producen explosiones termonucleares en la superficie de la enana blanca. RS Ophiuchi muestra repetidamente estas explosiones en su superficie cada 15 o 20 años. La nova crea una onda de choque que atraviesa el medio circundante, arrastrando partículas con ella y acelerándolas hasta alcanzar energías extremas. Los telescopios H.E.S.S. podrían seguir en tiempo real el curso de la explosión y la onda de choque que la acompaña en el régimen de rayos gamma de alta energía.

 

Impresión artística del estallido de RS Ophiuchi Nova. Las rápidas ondas de choque forman una forma de reloj de arena al expandirse, en la que se producen rayos gamma (Imagen: DESY/H.E.S.S., Science communication Lab).


 

 

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España), hasta su retiro en 2020. Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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