Breve introducción a los aceleradores de partículas

Los aceleradores de partículas son dispositivos en los que mediante la aplicación de campos eléctricos y magnéticos se le suministra una energía a la partícula que se pretende acelerar con el propósito de conseguir diversos objetivos, que van desde la pura investigación de la estructura de la materia que compone el universo hasta las aplicaciones médicas o industriales.

El uso de partículas para la investigación de la estructura de la materia se empleaba mucho antes de que los aceleradores de partículas existieran. En este periodo pre-aceleradores, Rutherford utilizó fuentes de Radio y Thorio para obtener partículas alfa que dirigía hacia un objetivo. Con estas partículas alfa, Rutherford demostró la existencia de un núcleo cargado positivamente en el interior de los átomos. También utilizó partículas alfa para producir la primera reacción nuclear de manera artificial.

Sin embargo, la energía utilizando las partículas alfa de este modo no era suficiente para investigar en profundidad la materia. Se necesitaban energías superiores.

A comienzos del siglo XX se utilizaban tubos de vacío a los que se les aplicaba una diferencia de potencial entre los extremos. A continuación se inyectaban electrones en el tubo y eran acelerados debido a esa diferencia de potencial. Con estos dispositivos, se producían los rayos X. Pero el objetivo era vencer la barrera culombiana del núcleo recién descubierto por Rutherford, así como seguir produciendo reacciones nucleares artificiales, y para ello se necesitaban energías todavía más altas.

En 1932, Cockroft y Walton consiguieron acelerar protones a 400 keV usando un multiplicador de voltaje diseñado por ellos. Los protones acelerados así los utilizaron para bombardear Litio y obtener Helio (Li + p -> 2He). A partir de aquí, comenzó la era de los aceleradores de partículas. En los años 50 del siglo XX, el principal uso de los aceleradores era estudiar la estructura del núcleo atómico, es decir, se utilizaron los aceleradores como un microscopio, ya que según de Broglie las partículas tienen una longitud de onda asociada λ = h/p=hc/E. Por lo que a mayor energía E, menor longitud de onda λ y las partículas pueden penetrar mejor en el interior del núcleo. Por ejemplo para energías de 1 GeV, la longitud de onda asociada es 10^-13 cm, que es el diámetro del protón y por lo tanto, se necesitan energías superiores a 1 GeV para poder estudiar la estructura interna del núcleo.

Multiplicador de voltaje de Cockcroft & Walton. Fuente

Además en investigación en física de partículas, estas han de ser creadas a partir de la energía propia de la colisión de dos partículas aceleradas, según Einstein (E=mc²). Si consideramos la masa del protón, la energía en reposo usando la ecuación de Einstein es aproximadamente de 1 GeV, por lo que esta energía nos da un umbral para la creación de partículas en colisiones protón-protón.

El multiplicador de voltaje de Cockroft y Walton era capaz de conseguir grandes voltajes, e incluso introduciendo mejoras se podían conseguir diferencias de potencial aún mayores, pero pronto alcanzaba su nivel de saturación en el que para conseguir grandes energías para acelerar las partículas era necesario aumentar el tamaño del dispositivo de manera excesiva. Para ello se empezó a desarrollar otro tipo de aceleradores basados en corriente continua (DC, por direct current).

En los aceleradores de DC, la unidad que genera el alto voltaje se conecta a un tubo rectilíneo en el que las partículas son aceleradas en un solo paso a través del tubo. Ejemplos de aceleradores de DC son el acelerador de Van de Graaf o el acelerador electrostático tipo tándem. Estos aceleradores alcanzaban la saturación por debajo de energías de 1 GeV. Por lo tanto, estos aceleradores no son útiles para el estudio en física de partículas, pero sí para estudios de física nuclear y aceleración de iones. Algunos de estos aceleradores también se utilizan en la industria y en aplicaciones médicas.

Aceleradores de Van der Graaf. Fuente

Para seguir avanzando en investigación en física de partículas, se necesitaban energías mayores. Por ello se empezaron a desarrollar equipos que aceleraban las partículas a través de cavidades usando aceleración por radiofrecuencia (RF). Con esta tecnología se pudieron desarrollar dos tipos de aceleradores de RF: los lineales y los cíclicos o circulares.

Los aceleradores lineales tienen una geometría rectilínea al igual que los aceleradores de DC, pero al contrario que éstos, utilizan una aceleración en varios pasos, a través de la aplicación de campos eléctricos que alternan su polaridad entre sucesivas cavidades separadas entre sí. De este modo, cuando la partícula pasa de cavidad a cavidad a través del espacio entre ellas, se va encontrando potenciales eléctricos alternos que las aceleran en cada paso. Estos aceleradores son más conocidos como LINACs (Linear Accelerators)

En otros casos, se utilizan cavidades de radiofrecuencia cuadripolares, de manera que al mismo tiempo que se consigue una aceleración del haz de partículas al paso por la cavidad, también se consigue enfocar el haz. Esto es útil cuando se quiere hacer colisionar el haz contra un objetivo o contra otro haz, cosa que sucede en prácticamente todas las aplicaciones de los aceleradores de partículas.

Izquierda: Principo de construcción de un acelerador lineal según Ising y Wideröe. Fuente. Derecha: cavidades de radiofrecuencia cuadriculares. Fuente

Los aceleradores circulares o cíclicos utilizan las cavidades de radiofrecuencia para acelerar los haces de partículas, de la misma manera que los aceleradores lineales, pero a su vez emplean campos magnéticos para curvar la trayectoria de los haces y mantenerlos confinados en la trayectoria circular.

El primer acelerador circular, el ciclotrón, utilizaba una frecuencia fija de giro. Este acelerador también utiliza un campo magnético fijo en la dirección perpendicular al plano de giro del haz. Este acelerador fue desarrollado por Ernest Lawrence (más información sobre Lawrence y su ciclotrón aquí y aquí).

Vista de un ciclotrón. Fuente

Uno de los problemas del ciclotrón es que el campo magnético perpendicular al plano de giro pierde intensidad en los extremos. Además debido al aumento de masa de las partículas por efectos relativistas, el diámetro de estos aceleradores estába limitado a 1 m. Por ello, en 1945, se desarrolló el sincrociclotrón que aplicaba una frecuencia variable para compensar el aumento de masa por efectos relativistas y la pérdida de intensidad del campo magnético. De esta manera, se podían conseguir energías máximas muy superiores al ciclotrón.

Sincrociclotrón. Fuente

En 1952, se desarrolló el primer sincrotrón (Cosmotrón) en el que en lugar de tener un gran imán para mantener la curvatura de los haces de partículas, se utiliza un anillo de potentes imanes que curva las partículas a su paso. Además la intensidad del campo magnético de los imanes se puede variar, de manera que a cada paso del haz por el imán el campo magnético se hace más intenso para compensar la energía que ha ganado en el paso anterior por la cavidad de radiofrecuencia. Los sincrotrones se utilizan en combinación con aceleradores lineales que actúan como inyectores de los haces de partículas.

Un sincrotrón, el Tevatrón de Fermilab. Fuente

Además, en un sincrotrón se utilizan varios tipos de imanes. Así, los imanes dipolares curvan las trayectorias y los cuadripolares enfocan el haz para hacerlo cada vez más estrecho, y evitar que las partículas se dispersen y choquen contra las paredes de los imanes causando daño.

Finalmente, con el desarrollo de la superconductividad, se ha conseguido desarrollar cavidades de radiofrecuencia superconductoras así como electroimanes superconductores. Esto ha dado pie a poder alcanzar aceleraciones muy superiores, al mismo tiempo que poder curvar las trayectorias más amplias que suceden al alcanzar energías mayores, como es el caso del LHC que recientemente ha empezado su run II alcanzando energías de colisión en el centro de masas de 13 TeV.

Esta entrada participa en la edición del LXII Carnaval de la Física que es albergado en esta ocasión en el blog La Aventura de la Ciencia de Daniel Martín Reina

Referencias

CERN Accelerator School – General Accelerator Physics Proceedings. Vol. I. 3-14 Septiembre 1984