LOS ACELERADORES DE PARTÍCULAS
IKER ÁLVAREZ GARCÍA, 2 BACH EXC
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Introducción y Abstract
Introducción y Abstract
El acelerador de partículas es uno de los inventos más fascinantes de la Física moderna. Desde la invención de su primera versión a inicios del siglo XX este ha revolucionado nuestra comprensión del universo ayudándonos a comprender el funcionamiento de las partículas que componen la materia y las fuerzas que influyen en su interacción.
Particle accelerators have been a crucial tool in the advancement of modern physics, enabling the exploration of the most fundamental components of the universe and their interactions. This paper provides an overview of these devices, beginning with an introduction to their principles and the basic foundations of Particle Physics, including the Standard Model and the fundamental interactions that rule matter and energy. The historical evolution of accelerators is displayed. Moreover, it also explains the differences between the types of particle accelerators and how they work.
The particle accelerator is one of the most fascinating inventions in Physics, it has totally revolutionized our way of understanding the universe and the matter that forms it. Beyond that, they have different applications in medicine and analysis of materials.
Modelo Estándar de las Partículas Elementales y Fuerzas Fundamentales
Modelo Estándar de las Partículas Elementales y Fuerzas Fundamentales
Desde la década de 1930 desde la comunidad científica se ha descubierto que la materia en el universo está constituida por unos componentes conocidos como “partículas fundamentales”, clasificadas en el Modelo Estándar. Estas se dividen en quarks, leptones y bosones. A su vez estos últimos se dividen en "bosones gauge" (responsables de tres de las cuatro fuerzas fundamentales) y "bosones escalares", grupo al que pertenece el Bosón de Higgs.
Por otro lado, el comportamiento de estas partículas lo rigen las cuatro fuerzas fundamentales: gravitatoria, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. La electromagnética será de la que se sacará provecho para acelerar las partículas en los aceleradores de partículas.
Los aceleradores de partículas han sido esenciales para el descubrimiento de muchas de estas partículas como el bosón W, el Z o el Bosón de Higgs. Así como la obtención de antimateria.
Historia
Historia
Las primeras investigaciones acerca de partículas subatómicas se dan a finales de s.XIX cuando físicos como J.J. Thomson comenzaron a investigarlas utilizando tubos de vacío y campos eléctricos.
En 1911, Rutherford y sus colaboradores, a través del uso de partículas alfa como proyectiles pusieron a prueba la estructura del átomo propuesta por Thompson y llegaron al descubrimiento de los núcleos de los átomos.
En 1930 el noruego Ernest Lawrence desarrolló la idea que le llevó a la invención del primer ciclotrón y, por tanto el primer acelerador de partículas
Veksler y Macmillan elaboraron los sincrociclotrones en 1945. El avance que incorporaban era que la frecuencia del voltaje estaba modulada con el tiempo y así lograron que se pudiera alcanzar mayores niveles de energía.
En 1954 se fundó el CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) en Ginebra, que en la actualidad es el laboratorio de investigación básica más importante del mundo.
Tipos y funcionamiento
Tipos y funcionamiento
Los aceleradores de partículas consisten en tubos de vacío, colocados consecutivamente, en los que se inyectan partículas que son aceleradas en forma de haz por medio de un campo eléctrico (F=q⋅ E) , producido por unas máquinas llamadas cavidades de radiofrecuencia. Estas finalmente colisionan en un blanco fijado en un detector.
Lineales
Lineales
En los aceleradores de partículas lineales los tubos de vacío son colocados en forma lineal de modo que tienen un inicio donde se inyectan las partícula y un final donde estas colisionan
Circulares
Circulares
Los aceleradores circulares alcanzan mayores velocidades en menor espacio que los lineales gracias a su disposición circular de los tubos. La trayectoria curva de estos aceleradores se logra por medio de la proyección de un campo magnético a razón de la siguiente ecuación:
Surge la cuestión de cuál será el radio de curvatura que tomarán estas partículas. Este ya puede averiguar por medio de igualar la fórmula anteriormente mencionada y la de la fuerza centrípeta.
De modo que, despejando el radio se llaga a esta expresión:
Esto significa que, si mantenemos campo magnético (B), carga (q) y masa (m), a medida que la velocidad aumente el radio aumentará proporcionalmente. Que es el caso de los cilotrones, que tienen los tubos colocados en forma de espiral.
En los sincrotrones, en cambio, se realiza un aumento del campo magnético a medida que aumenta la velocidad de las partículas. De modo que se mantiene una forma circular constante en el recorrido. Esto permite optimizar mucho más el espacio y llevar las partículas a velocidades y, por tanto, energías mucho mayores.
Este último modelo, además, permite inyectar dos haces de partículas girando en direcciones opuestas y hacerlos colisionar en un un detector. En la colisión se genera un punto de energías muy elevadas, logrando recrear las condiciones que se dieron al principio del universo, en el Big Bang.
Contribuciones a la física: Bosón de higgs
Contribuciones a la física: Bosón de higgs
Los aceleradores de partículas han logrado descubrimientos que entre otras cosas han permitido el desarrollo de el modelo estándar de las partículas elementales.
La última partícula descubierta fue el bosón de Higgs, en 2012. Esta nació como una partícula teórica desarrollada por Peter Higgs y François Englert, pero no será posible su creación hasta la construcción del gran acelerador de hadrones (LHC).
Debido a la corta vida del bosón de Higgs se determinó la existencia de esta por medio de un cálculo estadístico, basado en un umbral de probabilidad llamado cinco Sigma. Alcanzado por los detectores CMS y ATLAS el 14 de julio de 2012.
Otras Aplicaciones
Otras Aplicaciones
Medicina
Medicina
Por otro lado los aceleradores también tienen aplicaciones en gran multiplicidad de ensayos de análisis de materiales. Como son la difracción de rayos X, la retrodispersión de Rutherford o la espectroscopia de rayos X. En el caso de la difracción de rayos X (XRD) se utiliza para analizar la geometría de las estructuras cristalinas de materiales.
Análisis de Materiales
Análisis de Materiales
En medicina el principal uso que se le da a los aceleradores de partículas es el relativo a la radioterapia oncológica, para tratar el cáncer. Aquí se utilizan aceleradores lineales para generar una haz de protones, fotones o electrones que se inyecta sobre un tumor para tratar de eliminarlo.
Conclusión
Los aceleradores de partículas representan una de las herramientas más importantes en la investigación científica moderna, permitiendo explorar los fundamentos del universo y desarrollar aplicaciones prácticas en campos como la medicina, la industria y la tecnología. Su impacto trasciende del ámbito académico, ya que beneficia directamente a la sociedad a través de avances en el tratamiento de enfermedades y el análisis de materiales. A pesar de los desafíos técnicos y éticos que enfrentan, su desarrollo continuo promete abrir nuevas fronteras en la comprensión del cosmos y en la mejora de la calidad de vida.
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