Acelerando partículas (Parte II)

En la última entrada empezamos lanzando puñados de arena y terminamos consiguiendo que paquetes de partículas lanzados en un acelerador de partículas tuvieran todas aproximadamente la misma velocidad y pasaran por los mismos puntos al mismo tiempo, evitando el mismo problema que nos encontramos con la arena. Sin embargo todavía no habíamos conseguido que, además de ir a la misma velocidad, fueran agrupadas en un volumen con un diámetro muy pequeño para maximizar la probabilidad de colisión con otro paquete en los puntos dedicados a ello y minimizar la probabilidad de que se dispersen y choquen contra las paredes de la cavidad que las contiene.

Las partículas que componen un paquete que está siendo acelerado tienen tendencia a esparcirse ya que, como todas son del mismo tipo, tienen la misma carga eléctrica y por lo tanto se repelen. Además en el vacío a través del cual circulan existen impurezas (moléculas de gas, UFOs, etc.) ya que el vacío no es del todo completo. Esto hace que haya colisiones indeseadas y el paquete se disperse.

La solución a este problema se conoce como enfocar las partículas, ya que el mecanismo es similar a lo que ocurre con las lentes pero, en lugar de lentes ópticas, se usan lentes magnéticas, es decir, se utilizan electroimanes superconductores muy potentes.

En un acelerador se utilizan principalmente dos tipos de imanes: imanes dipolares y cuadrupolares. Los primeros se utilizan para curvar la trayectoria de las partículas en un acelerador circular. Los segundos son los que nos importan para enfocar el paquete de partículas.

A ceremony is held as the last of 1746 superconducting magnets is lowered into the 27-km circumference tunnel that houses the LHC. The LHC project leader, Lyn Evans, changes a banner reading ‘first magnet for the LHC’ to ‘last magnet for the LHC’ in his native Welsh.

Imán dipolar superconductor utilizado para curvar la trayectoria de las partículas en el LHC (Fuente: CERN)

Los imanes cuadrupolares enfocan en una dirección perpendicular a la dirección de movimiento. Por lo tanto, si sólo colocáramos un imán en un determinado punto de la trayectoria de las partículas, el paquete se enfocaría en una sola dirección mientras que se dispersaría en la perpendicular. Por ello es necesario colocar dos imanes cuadrupolares cuyas direcciones de enfoque sean perpendiculares entre sí para mantener el haz enfocado y concentrado en un diámetro lo más pequeño posible.

Model of a superconducting quadrupole magnet for the LHC project.

Imán cuadrupolar superconductor utilizado para enfocar las partículas en el LHC (Fuente: CERN)

Esta pareja de imanes cuadrupolares se coloca en determinados puntos a lo largo de la trayectoria de la partícula. El resultado es que el paquete de partículas oscila en anchura y altura. El número de oscilaciones es lo que se conoce como ajuste o calibración (del inglés tune).

Pudiera parecer que ya está todo arreglado. Todas las partículas del paquete llegan al mismo tiempo y están bien agrupadas en un diámetro muy pequeño. Pues no. La perfección no existe, y mucho menos a la hora de construir electroimanes superconductores. Por muy bien que queramos fabricarlos, siempre existen pequeñas imperfecciones que hacen que el paquete no se enfoque tan bien como querríamos. Si un imán produce una pequeñísima desviación en una pasada, después de miles de giros alrededor del acelerador pasando por ese imán (por ejemplo, en el LHC se producen 11245 giros por segundo), la desviación sería tan grande que el paquete se saldría del anillo.

Afortunadamente, también para esto se tiene una solución. Se puede conseguir que el paquete de partículas no “sienta” el mismo error cada vez haciendo un ajuste de manera que, el número de oscilaciones, que sufre el paquete al pasar por los sucesivos imanes en cada giro, no sea un número entero. Por lo que en cada pasada, el enfoque será diferente y así la trayectoria que sigue la partícula también es diferente.

El problema que tiene esta solución es que genera otro problema en sí mismo. A pesar de que la partícula sigue un camino diferente cada vez, el número de caminos se repite cada cierto número de giros, por lo que se crean resonancias que pueden hacer perder el paquete de partículas. Las resonancias se pueden estudiar de manera teórica una vez conocidas las características de los imanes, su localización en el acelerador y otros parámetros como la velocidad a la que giran las partículas. A través de este estudio se puede ver que hay ciertos ajustes que logran conseguir que los paquetes de partículas no entren en estas resonancias. El problema es que esos ajustes tienen que ser extremadamente finos. La buena noticia: los físicos e ingenieros que se dedican a trabajar en aceleradores de partículas, son también extremadamente listos y hábiles, por lo que consiguen realizar cualquier ajuste para conseguir que los aceleradores funcionen a la perfección y podamos conseguir los resultados deseados.

Ahora sí, ya tenemos prácticamente todas las partículas a la misma velocidad y bien agrupadas (aunque partículas díscolas hay hasta en las mejores familias), por lo que podemos lanzar los paquetes unos contra otros para realizar nuevos descubrimientos.

Higgs CMS Discovery 9710002_05

Descubrimiento del bosón de Higgs por el experimento CMS en el LHC (Fuente: CERN)

Referencias

Fermilab Today. Physics in a nutshell (Jueves 16 de Abril de 2015)

Fermilab Today. Physics in a nutshell (Jueves 14 de Mayo de 2015)

Fermilab Today. Physics in a nutshell (Jueves 11 de Junio de 2015)

Fermilab Today. Physics in a nutshell (Jueves 9 de Julio de 2015)

Viaje al corazón de la materia. Física de partículas para profesores

CERN Accelerator School. General Accelerator Physics. Proceedings Vol. I y Vol II. 1985

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