¿Cómo funciona un acelerador de partículas? – Aceleración

Esta semana hemos recibido varias preguntas muy interesantes, que responderemos, como solemos hacer siempre, en la sección Ahora que lo pienso…. La entrada de hoy es una respuesta a la pregunta de Carlos, ¿Cómo funciona un acelerador de partículas? ¿Cómo se observan los choques? ¿Qué intensidad tiene el campo electromagnético?

Aunque algunos de los conceptos necesarios para hablar del asunto, como la naturaleza de los campos eléctrico y magnético, tienen unos meses por delante antes de ser tratados en El Tamiz (ocurrirá en la serie de Las cuatro fuerzas, cuando acabemos al menos Cuántica sin fórmulas), sí es posible entender la base del funcionamiento de un acelerador sin entrar en muchos detalles acerca de los campos, y no vamos a hacer esperar a Carlos meses antes de responder su pregunta. Tendremos que dedicar dos artículos a la respuesta, uno a cómo se aceleran las partículas y otro a cómo se detectan las partículas producidas (un solo artículo sería demasiado largo). De manera que, ¿Cómo funciona un acelerador de partículas?

Como su propio nombre indica, en su forma más básica una máquina de este tipo no es más que un dispositivo que acelera partículas cargadas y luego las hace impactar contra un objetivo. Los hay de muy poca energía, como una televisión tradicional, y de muchísima energía, como el LHC que entrará en funcionamiento el año que viene, pero todos funcionan mediante el mismo concepto: la atracción y repulsión de cargas.

El tipo más sencillo y primitivo de acelerador de partículas es el tubo de rayos catódicos o CRT (Cathode Ray Tube), que sigue estando en muchas televisiones y monitores antiguos, aunque vayan siendo reemplazados ya por otro tipo de monitores como los de cristal líquido. Un tubo de rayos catódicos funciona de una manera sorprendentemente sencilla:

En primer lugar, se tiene un emisor de electrones (como veremos, es posible acelerar otras partículas subatómicas, pero los electrones son muy fáciles de obtener y muy ligeros comparados con su carga, de modo que son las más comúnmente utilizadas). El emisor suele ser un metal que está conectado a la corriente eléctrica y se calienta mucho. Los electrones del metal, a una temperatura elevada, se agitan tanto que son capaces de escapar de él: este efecto se denomina efecto termoiónico.

Una vez se tienen estos electrones libres, se aceleran utilizando un par de electrodos dentro de un tubo en el que hay un vacío imperfecto, uno negativo (en el extremo del tubo en el que están los electrones) y otro positivo (en el extremo opuesto). Sin entrar en disquisiciones acerca del campo eléctrico -ya tendremos tiempo de hacerlo en la serie correspondiente-, los electrones son repelidos por el electrodo cercano a ellos y atraídos por el opuesto, de modo que empiezan a moverse hacia el electrodo positivo, más y más rápido.

Por eso, querido lector, si tienes una televisión “tradicional”, verás que tienen un gran fondo: no es posible tener una televisión de ese tipo que sea muy fina. La razón es que, con un acelerador de este tipo, cuanto mayor es el voltaje entre los electrodos y más separados están (más recorrido tienen los electrones para acelerar), más velocidad pueden adquirir los electrones. Como sabes, los electrones son dirigidos a uno u otro punto de la pantalla mediante imanes, y allí forman la imagen, pero eso es ya otra historia.

¿Cuánta energía tienen los electrones de los televisores? Pues la verdad, no mucha, aunque probablemente más de la que pensabas: pueden acelerar hasta la cuarta parte de la velocidad de la luz (unos 75.000 km/s) mediante voltajes de unos 15.000-20.000 voltios. En física de partículas, lo que suele importar es la energía cinética que adquiere la partícula, que suele medirse en electronvoltios (eV). Un eV es la energía que tiene un electrón cuando se acelera mediante un voltaje de un voltio, de manera que los electrones de tu televisor (si aún es CRT) tienen una energía de unos 15.000-20.000 eV, es decir, 15-20 keV (kiloelectronvoltios, o miles de electronvoltios). ¿Parece mucho? Espera a que sigamos con el artículo.

Los generadores de rayos X (utilizados, por ejemplo, para hacer radiografías) funcionan casi exactamente igual: se aceleran electrones a lo largo de un tubo recto, como en una televisión, y a continuación se hacen chocar contra un objetivo de algún metal, como el tungsteno: cuando los electrones -que van muy rápido- chocan contra el metal, pierden casi toda su energía, que es emitida en forma de fotones muy energéticos, es decir, rayos X. Los cañones de rayos X son bastante más largos que tu televisor, y funcionan con diferencias de potencial mucho mayores: imagina lo que puede lograrse con un tubo de metro y medio y millones de voltios. Este tipo de aceleradores puede lograr energías de millones de electronvoltios (MeV, megaelectronvoltios).

Sin embargo, los aceleradores de partículas más interesantes son, sin lugar a dudas, los empleados para hacer colisionar partículas subatómicas por los físicos para conocer más sobre la estructura de la materia. El problema con los tubos de rayos catódicos es que la energía que puede lograr un electrón (o cualquier otra partícula cargada) entre dos placas cargadas es bastante baja comparada con la energía necesaria para observar la mayor parte de los fenómenos interesantes para los físicos, de modo que pronto se desarrollaron nuevos aceleradores más complejos.

Una manera de evitar este problema es no utilizar dos electrodos, sino muchos: imagina que tienes cien placas metálicas, cada una con un agujero en el centro. Un cañón de electrones emite electrones libres en un extremo. Los electrones, como en la televisión, son repelidos por la placa junto a ellos y atraídos por la siguiente (cargada positivamente). Justo cuando el electrón atraviesa el agujero del electrodo positivo, se cambia la polaridad del circuito de modo que la placa queda cargada ahora negativamente, y la siguiente positivamente: el electrón es ahora repelido por la placa que acaba de atravesar, y atraído por la siguiente…

De este modo, si se tienen suficientes electrodos uno detrás de otro, y suficiente distancia, pueden lograrse velocidades gigantescas. Desde luego, los problemas prácticos son varios: en primer lugar, según los electrones se mueven más y más rápido, recorren distancias enormes, de modo que un acelerador de este tipo puede ser larguísimo. Además, piensa que muy pronto los electrones pasan de placa a placa tan rápido que las placas cambian de polaridad a frecuencias muy altas. De hecho, se convierten en emisores de microondas – y muchos de estos aceleradores se fabrican para convertirse en cavidades resonantes a esas frecuencias, para aprovechar las ondas generadas por las placas.

Este tipo de aceleradores sigue siendo muy utilizado, por su sencillez. El más largo y más potente de todos es el SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) de la Universidad de Stanford, en California, que tiene ¡tres kilómetros y doscientos metros de largo! Se trata probablemente del objeto totalmente recto más largo de la Tierra:

El SLAC fue construido en 1966 y el tubo por el que se mueven las partículas está enterrado a 10 metros de profundidad. La carretera que ves, bajo la que pasa el acelerador, es la autopista interestatal 280. Este monstruo rectísimo es capaz de proporcionar 50.000.000.000 eV (50 GeV, gigaelectronvoltios) a los electrones y positrones que acelera – los lleva a velocidades que se aproximan a la de la luz. Unas 1.000 personas trabajan en el SLAC. Durante muchos años se utilizó directamente, haciendo impactar las partículas sobre átomos para producir partículas inestables, y de hecho este acelerador ha producido tres Premios Nobel (los descubrimientos del quark charm, la estructura de quarks de los protones y electrones, y el descubrimiento del tauón).

Hoy en día, sin embargo, el SLAC se utiliza como “cañón” de un colisionador circular de electrones y positrones, el PEP-II, que tiene una circunferencia de más de dos kilómetros y consta de dos tubos (uno para los electrones y otro para los positrones, que giran en sentidos contrarios hasta que se encuentran en la intersección entre los tubos).

El problema de los aceleradores lineales de este tipo, como puedes comprender, es que hay un límite práctico a la longitud que pueden tener. La solución, naturalmente, sería conseguir que la partícula lo recorriese de principio a fin y luego volviera a empezar. ¿Cómo lograr eso? Con un acelerador que no sea recto, sino circular. El tipo más sencillo es el denominado ciclotrón.

Un ciclotrón, básicamente, tiene dos placas (no muchas, como los grandes aceleradores lineales), igual que el televisor. La partícula cargada se acelera entre ellas, llega a la placa que la atrae, la atraviesa… y entonces se encuentra con un intenso campo magnético que la hace girar. Aunque ya hablaremos cuando corresponda del campo magnético en profundidad, lo que hace básicamente un campo magnético es hacer que las cosas giren -en curvas tanto más “cerradas” cuanto mayor sea el campo-.

La partícula, entonces, realiza una curva muy cerrada hasta que vuelve a la placa que había atravesado. Mientras, se ha cambiado la polaridad de las dos placas: ahora el electrodo que lo atrajo lo repele, y al revés. De modo que la partícula atraviesa de nuevo el tubo, pero ahora en sentido contrario al inicial y más rápido que la primera vez. Cuando sale por el otro lado, se encuentra con un campo magnético que la hace girar y vuelve a realizar el camino en sentido contrario.

Cada vez que la partícula realiza el recorrido, gira y vuelve, se mueve más y más rápido, de modo que la curva que realiza es cada vez más y más abierta (una espiral), hasta que llega un momento en el que no puede acelerarse más o se saldría del aparato: en ese momento se hace que salga definitivamente, tras haber recorrido el tubo muchas veces y moverse muy rápido. Los primeros ciclotrones se construyeron en los años 30, pero el problema -similar al de los aceleradores lineales- es el tamaño: una partícula que va muy rápido realiza curvas tan abiertas que haría falta un ciclotrón de un radio gigantesco para alcanzar energías muy grandes.

En cualquier caso, aquí tienes uno de los dibujos de una patente de ciclotrón de 1934, de Ernest O. Lawrence:

La solución de este problema es simplemente hacer que el campo magnético que hace girar a las partículas y las obliga a volver por donde vinieron sea cada vez más grande, según las partículas aceleran, de modo que el radio de la curva siempre sea el mismo. De esa manera, no hace falta tener en cuenta que las partículas realicen curvas de radio variable, sino que basta con un solo tubo. De este tipo son los aceleradores actuales más potentes, que se denominansincrotrones, pues se sincronizan el campo magnético de los imanes y el eléctrico de los electrodos para acelerar las partículas.

Un sincrotrón moderno recibe partículas que ya se mueven muy rápido, pues su “cañón” suele ser un acelerador lineal de los que hemos hablado anteriormente, que desemboca en el anillo del sincrotrón (algunos tienen más de un anillo, y las partículas pasan al anillo exterior cuando se mueven demasiado rápido para el interior). En el anillo hay un campo eléctrico (los electrodos que cambian de polaridad para repeler-atraer la partícula) y un campo magnético (que hace que la partícula gire) sincronizados con el movimiento de la partícula, para que su trayectoria sea justo la del tubo circular.

El problema práctico, en este caso, es el efecto Joule, por el que un conductor se calienta cuando lo atraviesa una corriente eléctrica. Aunque el sincrotrón sea muy grande, el hacer girar a una partícula para que haga un círculo cuando se mueve a una velocidad que es prácticamente la de la luz es muy difícil: hacen falta campos magnéticos monstruosos. Desde luego, estos campos magnéticos no se consiguen con imanes naturales – sería de risa. Se logran con electroimanes superconductores. Y ahí está el problema: por un lado, para lograr un campo magnético muy grande, hace falta que el metal superconductor esté muy frío. Por otro, al ser un electroimán, hace falta una corriente eléctrica muy grande, que hace que todo se caliente mucho. Aunque los sincrotrones más grandes tienen sistemas de refrigeración potentísimos por helio líquido, hay un límite práctico que es difícil de rebasar, pues la cantidad de calor a disipar cada segundo es monstruosa.

El sincrotrón más potente que existe -y el acelerador más potente de la historia- es el Tevatrón del Fermi National Accelerator Laboratory en Batavia, Illinois, construido en 1987. Es un anillo con una circunferencia de unos seis kilómetros, y es capaz de proporcionar energías de hasta 1 TeV (teraelectronvoltio, un billón de electronvoltios) a los protones y antiprotones que acelera. Estas partículas, cuando han recorrido el anillo cientos de miles de veces, llegan a moverse a velocidades próximas a la de la luz. No, en serio, muy próximas: les faltan unos 320 km/h para llegar a la velocidad de la luz.

No sólo eso: el Tevatrón tiene dos tubos en el anillo, de modo que puede acelerar partículas en los dos tubos moviéndose en sentidos opuestos y luego hacer que colisionen en el punto de intersección con energías relativas de casi 2 TeV. El quark top fue descubierto en el Tevatrón en 1995.

En la imagen puedes ver los anillos del Inyector Principal (cerca) y el Tevatrón propiamente dicho (detrás). El Inyector Principal acelera los protones hasta unos 150 GeV, y luego los hace chocar contra un objetivo de níquel. Se producen diversas partículas inestables, entre ellas antiprotones, que luego pueden pasar al anillo del Tevatrón y ser acelerados a su vez – lo mismo que los protones, en sentido inverso a los antiprotones, antes de hacerlas chocar.

LHC superpuesto con la superficie.

El descomunal LHC, que entrará en funcionamiento (si todo sale según lo previsto) en 2008 es aún más potente. Se encuentra entre Suiza y Francia, y su circunferencia es más de tres veces la del Tevatrón – unos 27 kilómetros. De hecho, el LHC es tan brutal que necesita acelerar las partículas con muchos aceleradores secundarios, que forman una especie de cadena:

Diagrama del LHC, publicado bajo CC 2.5 License.

Un acelerador lineal (marcado como p) acelera protones hasta 50 Mev. Los protones pasan entonces al PSB (Proton Synchrotron Booster) -que es el anillo sin marcar al lado del acelerador lineal, que los lleva hasta 1.4 GeV. De allí pasan al PS (Proton Synchrotron), que los acelera hasta 26 GeV. A continuación, elSuper Proton Synchrotron (SPS) los acelera hasta 450 GeV y los conduce, finalmente, al anillo principal del LHC. Algo similar sucede con los antiprotones.

Allí los protones y antiprotones darán vueltas y más vueltas en sentidos contrarios, mientras los campos eléctrico y magnético siguen aumentando, hasta alcanzar energías de unos 7 TeV. Para que te hagas una idea, los protones y antiprotones irán tan rápido que tardarán sólo 90 microsegundos en hacer una vuelta entera – ¡darán unas 11.000 vueltas por segundo!

Dentro del anillo habrá múltiples detectores, que puedes ver marcados en el diagrama, para tratar de responder a muchas preguntas de física fundamental que aún no tienen respuesta, como si existe el bosón de Higgs, si las partículas tienen versiones supersimétricas de sí mismas, por qué la gravedad es tan débil comparada con las demás fuerzas, cuál es la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura, etc.

Vamos, que una vez que el LHC esté construido -y será la máquina más poderosa construida nunca por el hombre, capaz de reproducir condiciones que no han existido en el Universo desde el Big Bang- las posibilidades de investigación son enormes, y quién sabe qué aprenderemos sobre el Universo. Por cierto, si no lo has leído, no te pierdas este artículo con imágenes panorámicas del LHC.

Espero que, a pesar de no entrar en detalles teóricos (y no extendernos demasiado sobre el LHC, que merece su propio artículo), hayáis disfrutado de la entrada y os hayáis familiarizado con los aceleradores lo suficiente como para entender su funcionamiento básico. En una segunda parte de esta respuesta hablaremos más en detalle del LHC, y de cómo se detectan las partículas producidas en su interior – ¡y gracias por la sugerencia de estos artículos