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Con el descubrimiento de las partículas extrañas en los experimentos con rayos cósmicos, la naturaleza entera de la Física de las partículas elementales sufrió un cambio radical. La clase de experimentos con rayos cósmicos, donde había que sentarse y esperar la aparición de un suceso favorable, puede ser una buena manera de dibujar los rasgos generales de la teoría, pero si se quieren llevar a cabo experimentos exhaustivos es preciso disponer de una fuente de partículas energéticas que sean controlables. Afortunadamente, las máquinas capaces de producir estos haces energéticos ya se estaban construyendo durante la década del treinta, los aceleradores.
Aquellos experimentos con rayos cósmicos habían revelado la existencia de muchas partículas, las cuales eran todas inestables. Si se quería tener un medio de producirlas en cantidades suficientes para permitir su estudio, se necesitaba máquinas aceleradoras de protones y electrones que son las que han ocupado la vanguardia de la investigación hasta nuestros días. Históricamente, un congreso celebrado en Bagneres (Francia) en Julio de 1953 señala el momento en que la investigación de las partículas elementales pasa, de basarse en los rayos cósmicos, a los aceleradores de partículas.
Ernest O. Lawrence: el pionero
En el año 1929, Ernest O. Lawrence (1901-1958) desarrollaba una idea que revolucionaría este campo de la física. Toda partícula cargada se desvía por la acción de un campo magnético. Si el campo cubre una región suficientemente grande del espacio, la partícula describe una circunferencia. El campo magnético tiene una fuerza magnética que puede ser representada por la ecuación
F = B q v sen a
(donde B es el valor del campo magnético, q es la carga de la partícula y v la velocidad de esta última). El campo magnético produce la máxima fuerza cuando la fuerza actúa perpendicularmente al plano que determinan el vector campo magnético B, y el vector velocidad (a = 90º), así que la ecuación queda reducida a:
F = B q v
A fin de mantener la partícula moviéndose en un círculo de radio R y a velocidad constante, se debe equilibrar la fuerza magnética con la fuerza centrífuga
F = mv2/R
donde m corresponde a la masa de la partícula. Esto significa que para una partícula sometida a la acción de un campo magnético se debe cumplir:
(a)
Los radios de giro son directamente proporcionales a la velocidad (la que consideramos constante) que lleva la partícula. Por ejemplo, una partícula con velocidad v1 se debe mover en una circunferencia de radio R1, mientras que una partícula con velocidad v2 se deslizará en una circunferencia de radio R2. Cuanto
mayor es la velocidad, mayor debe ser el radio.
A estas órbitas circulares se las denomina ciclotrónicas.
Órbitas Ciclotrónicas: (1) Órbita interior (2) Órbita exterior.
En la órbita designada por (1) en la figura, la partícula se mueve con velocidad v1, y debe recorrer 2pR1, que es la longitud de la circunferencia, así que:
2pR1 = v1 . t
(donde t es el período o tiempo que da un giro).
Si sustituimos en la ecuación (a) tenemos:
Esta última fórmula contiene la idea fundamental que permitió a Lawrence construir su máquina. El tiempo necesario para completar una órbita depende únicamente del campo magnético, de la carga y la masa de la partícula, no de la velocidad con que la partícula se mueve. La velocidad y el radio al ser directamente proporcionales dependen del período, el que es exactamente el mismo en todos los casos.
Se puede suministrar una gran cantidad de energía a la partícula en pequeñas dosis, del mismo modo que se pueden conseguir grandes oscilaciones al columpiar a un niño por medio de una serie de pequeños, aunque convenientemente espaciados, empujones. Si los impulsos están sincronizados correctamente, en la órbita menor, si espaciamos los impulsos aceleradores para comunicarle energía, las aceleraciones continuarán estando adecuadamente sincronizadas a medida que la partícula gane energía y se mueva en órbitas más externas. De esta manera es posible acelerar la partícula para que adquiera una energía (cinética) muy alta suministrándole una serie de pequeñas, pero convenientemente espaciadas, diferencias de potencial, en lugar de un único y gran impulso.
El Ciclotrón
La máquina, que se conoce con el nombre de ciclotrón, consiste en dos electrodos semicirculares en forma de D (llamados "des") separados por un cierto espacio. Entre ambos electrodos se aplica una diferencia de potencial oscilante (en el dibujo está indicado por la diferencia de carga "+" y "–") que cambia periódicamente. Todo el dispositivo está sometido a un campo magnético constante que garantiza las trayectorias circulares de las partículas. Un protón es atraído por la cara opuesta de la separación, que se encuentra con carga eléctrica negativa. Atravesando la separación, la partícula adquiere energía en el proceso. Mientras el protón se mueve a través del campo de la "de", el potencial de la separación vuelve a cambiar, de manera que cuando el protón llegue nuevamente al borde (del costado opuesto donde entró) cambie nuevamente acelerando a la partícula positiva y se repetirá todo el proceso. A medida que la partícula adquiere mayor velocidad se acerca más a la pared del anillo. El resultado final de este proceso es un haz de partículas energéticas que se pueden usar en los experimentos en sustitución de los rayos cósmicos.
Junto a su hermano John (doctor en medicina), Lawrence pronto se dio cuenta de las posibilidades que tenía su máquina en el campo de la medicina. Además de la producción de radio y otros elementos radiactivos para terapia del cáncer, se empezaron a hacer experimentos para averiguar la utilidad de los haces ciclotrónicos en el tratamiento directo de tumores. Este es un campo en el que aún hoy se usan los haces de partículas aceleradas para el tratamiento contra el cáncer en los que intervienen haces de protones, neutrones e incluso mesones pi.
Hay que señalar la existencia de limitaciones teóricas en el rendimiento del Ciclotrón que es consecuencia de la teoría de la relatividad. Cuando una partícula se mueve a velocidades próximas de la luz, su masa aumenta. Este problema impone límites en la energía de las partículas en el haz, ya que la velocidad de una partícula dentro del Ciclotrón posee una relación proporcional inversa con la masa. El límite teórico se encuentra en los 25 MeV (megaelectronvoltio que equivale a un millón de eV). De hecho el ciclotrón más potente que se conoce produce un haz de protones de aproximadamente 22 MeV.
La limitación básica del ciclotrón estriba en que fue diseñado para contener partículas cede vez más rápidas con un único campo magnético constante.
El Sincrotón
Debido a la dificultad teórica explicada, en 1945, el físico soviético Vladímir Y. Veksler y el físico estadounidense Edwin M. McMillan sugirieron una solución a este problema, desarrollandoun nuevo acelerador, el Sincrotón ó ciclotrón de frecuencia modulada.
¿Cómo hacer que las partículas se muevan más rápido? Sencillamente se incrementa el campo magnético a medida que la partícula adquiere más
energía. Un sincrotón común consta de una serie de electroimanes en forma de anillo toroidal hueco y de una o más cavidades aceleradoras, donde se pueden aplicar fuerzas para acelerar las partículas. El campo magnético se ajusta de manera que una partícula dada se mueve en una circunferencia cuyo radio coincide con el anillo. Si esta partícula se acelera, la misma ley que aplicamos en la discusión del ciclotrón nos indica que la partícula ascenderá a una órbita de mayor radio. Si no se hace nada para contrarrestar esta tendencia, la partícula chocará contra la pared de la máquina y se perderá. Si conseguimos aumentar el campo magnético cada vez que la partícula se mueva hacia afuera (mientras gira), la partícula tenderá a trasladarse a una órbita menor (por el incremento en el campo magnético). De manera que si ajustamos la aceleración y los imanes correctamente, podemos hacer que estos dos efectos se compensen y que la partícula continúe moviéndose dentro del anillo, a pesar que posea mayor energía.
A diferencia del ciclotrón, que suministra un haz continuo de partículas aceleradas, el Sincrotón acelera un grupo de partículas siguiendo el ciclo que se ha descrito y entonces vuelve a empezar el proceso para el siguiente grupo. Por consiguiente, suministra en breves ráfagas en lugar de hacerlo de manera continua; es un precio menor que hay que pagar en compensación por las altas energías obtenibles.
El primer Sincrotón que rompió la barrera del GeV (gigaelectronvoltio) se construyó en el Nacional Brookhaven Laboratory en Long Island, New York. El ciclotrón de mayor tamaño es el Fasotrón de 6 metros del Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna, en Rusia; acelera los protones hasta más de 700 MeV y tiene unos imanes que pesan unas 7.000 toneladas. El ciclotrón más potente del mundo, el K1200, empezó a funcionar en 1988 en el National Superconducting Cyclotron Laboratory, de la Universidad Estatal de Michigan (Estados Unidos). Este aparato es capaz de acelerar núcleos hasta una energía cercana a los 8 GeV
Aceleradores Lineales
El Sincrotón es una máquina ideal para suministrar protones de alta energía. Para los electrones, sin embargo, presenta una limitación fundamental: cualquier carga eléctrica acelerada emite fotones. Los electrones que giran en un anillo están siendo acelerados y por tanto emiten radiación. Al ser bastante ligeros, los electrones irradian mucho más que las partículas pesadas, como los protones. El resplandor azulado que puede verse en los aceleradores de electrones es el resultado de esta radiación llamada radiación de sincrotón. Así, para los electrones, el límite en que se pierde toda energía ganada es a los 7 o 10 GeV.
Para sobrepasar este límite se utilizan dispositivos en los que los electrones se aceleran en línea recta. Son los aceleradores lineales o linacs. La sección transversal de un acelerador lineal se trata de un tubo hueco de gran longitud, dividido a intervalos por anillos que forman compartimentos separados. Tanto el tubo como los anillos están hechos de un material conductor, como el cobre. Cada compartimiento tiene su fuente de energía independiente que crea un campo eléctrico. Los electrones "montan" en una especie de onda de la manera que una persona que practica surfing monta una ola marina. Al aumentar la velocidad de los electrones, aumenta también la de la onda donde adquieren la máxima aceleración.
El centro para la investigación de aceleradores lineales se encuentra en la Universidad de Stanford, cerca de San Francisco (USA). El 21 de Mayo de 1966 se hizo pasar el primer chorro de electrones a través de un acelerador lineal de 3,2 Km de largo perteneciente al stanford Linear Accelerator Center (SLAC). Esta máxima aceleración produce electrones de 20 GeV y ha sido la fuente de electrones empleada en algunos de los importantes descubrimientos conseguidos.
Anillos de Almacenamiento
Este dispositivo consiste en una serie de electroimanes dispuestos en forma de anillo, un diseño muy parecido al sincrotón pero sin cavidad aceleradora. Se introducen en el anillo grupos de partículas aceleradas y se ajusta al campo magnético de forma que las partículas den vueltas constantemente en el interior del anillo. En este sentido, las partículas aceleradas se encuentran almacenadas en el anillo. La operación dura unos treinta minutos. Luego los grupos de partículas son llevados a su destino final: "Colisionar".
Existen anillos de almacenamiento para distintas partículas: protones, electrones y positrones.
El Tevatrón.
El 3 de Julio de 1983, la gente que trabajaba en el acelerador Nacional Fermi (Fermilab), en los aledaños de Chicago, empezó la cuenta regresiva de la inauguración del primer Sincrotón superconductor del Mundo: el Tevatrón. Esta máquina debía lanzar un billón de protones a una velocidad cercana a la de la luz para lograr una colisión distinta de cualquier otra que haya tenido lugar desde muy poco después del nacimiento del Universo. También lanzaría a los científicos a una aventura sin par en el camino de la comprensión de la naturaleza de la materia, así como en el dominio de la construcción y funcionamiento de aceleradores gigantes.
La prueba empezó con la puesta en marcha del anillo principal, el viejo sincrotón del Fermilab que comunicaba a los protones cargados positivamente una energía de 120 GeV. En un instante crucial, los protones se inyectaron en el Tevatrón, donde se hicieron cargo de ellos más de 1000 imanes superconductores. Los imanes produjeron, con un buen rendimiento, un potente campo que guiaba a los protones por una trayectoria circular de 6,3 Km y una anchura de no más de unos milímetros. En la sala de control los técnicos supervisaban el programa de ordenador que potencia los imanes en precisa sincronización con la creciente energía de los protones: 200, 300, 400, 500 GeV . . . cuando el campo magnético alcanzó la intensidad de prueba, los protones se lanzaron contra un blanco a un record mundial de 512 GeV.
Desde entonces, el Fermilab ha procurado que el Tevatrón constituya una herramienta decisiva para la física de las partículas elementales. Se ha mejorado el sistema de imanes superconductores desarrollando una fuemte de antiprotones y construido un detector de partículas. El Tevatrón puede hacer colisionar protones de 900 GeV con antiprotones de 900 GeV, a fin de generara una energía sin precedentes de 1,8 billones de electronvoltios (1,8 TeV.).
Con cada paquete de energía el Tevatrón crea un enjambre de partículas exóticas confirmando la teoría del "Modelo Estándar".
El programa comenzó a mediados de la década del setenta, anticipándose a las necesidades actuales de los investigadores. En esa época, dos clases de aceleradores propulsaron las partículas, los sincrotones del Fermilab y del CERN, por un lado, que lanzaban protones sobre un blanco fijo, y los aceleradores de la Universidad de Stanford, la universidad de Cornell y el sincrotón de electroimanes alemán (DESY) en Hamburgo (Alemania), hicieron colisionar electrones con sus gemelos de antimateria, los positrones.
Ahora bien, la potencia de un acelerador no se mide sólo por su energía, sino que debe generar suficientes colisiones de alta energía como para producir resultados estadísticos significativos. Los ritmos de colisión son, en general, inferiores en los colisionadores que en las máquinas de blanco fijo y denso que contra partículas de otro haz difuso. De manera global, los colisionadores sacrifican un elevado ritmo de colisión a cambio de energías mayores.
En 1977, el CERN decidió convertir su sincrotón de protones en colisionador protón – antiprotón, ya que se deseaba confirmar o refutar la existencia de los llamados "bosones vectoriales intermedios", responsables de las interacciones débiles. De 1977 a 1981 el CERN desarrolló un dispositivo que recogía y almacenaba antiprotones. A continuación concentraba los antiprotones en pequeños paquetes, utilizando la técnica del enfriamiento estocástico, para ser inyectados posteriormente en el supersincrotón de Protones del CERN, donde se harían chocar de frente contra los protones. En 1983 y 84 allí se descubrieron las partículas W y Z. Por ese logro, Carlo Rubbia (director de uno de los grupos experimentales) y Simon Van Dermeer (inventor del enfriamiento estocástico) ganaron el premio Nobel en 1984.
El Fermilab eligió un camino distinto para avanzar en el campo de la física de las altas energías, ya que si desarrollaba un sistema de imanes superconductores terminaría, a la larga, por construir un aceleradoer más potente que el del CERN.
En 1973 se inició el programa de imanes superconductores para un nuevo acelerador. Tales imanes, además de alimentar un acelerador más potente, podían reducir el consumo de electricidad (y su costo consiguiente). En 1980 el Fermilab construyó un gran laboratorio para comprobar las propiedades mecánicas, criogénicas y magnéticas de cada imán. Las características de cada uno se introdujeron en un programa de ordenador que serviría, más tarde, para decidir en qué lugar del anillo debía colocarse un imán u otro para cancelar los errores residuales del campo. En Junio de 1982 comenzó el montaje del Tevatrón, y en Junio del 1983 se inyectó el primer paquete de protones del anillo principal. El Tevatrón entró en su fase final en Junio de 1989, siguiéndole la construcción de un acelerador lineal más potente y un nuevo anillo principal para inyectar las partículas en el Tevatrón (programa conocido como Fermilab III). El desarrollo de estas máquinas tienen como objetivo profundizar en el interior de los quarks y del electrón, sometiendo a examen al "modelo estándar".
Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN)
La institución europea de investigación tiene su sede en Meyrin, en la frontera franco – suiza, al oeste de Ginebra. Es más conocida por las siglas CERN, correspondientes al nombre conque fue fundada en 1954: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (Consejo Europeo para la Investigación Nuclear). Hoy día es el mayor laboratorio de física de partículas del mundo. El amplio programa de investigación del CERN lo realizan cerca de 6.000 investigadores invitados de unas 70 naciones, la mitad de los físicos de partículas del mundo, apoyados por unos 3.000 empleados. Algunas aplicaciones de la investigación abarcan desde la topografía de precisión máxima a detectores para radiología médica.
El último acelerador de partículas del CERN es el Large Electron-Positron Collider (LEP), instalado en circunferencia en un túnel subterráneo de 27 km.
Los electrones y positrones acelerados giran en sentido contrario en un estrecho tubo de vacío a velocidades próximas a la de la luz, realizando el circuito completo unas 11.000 veces por segundo. Sus trayectorias se cruzan en cuatro puntos alrededor del anillo. DELPHI, uno de los cuatro detectores del LEP, es un cilindro horizontal de 3.000 toneladas, de unos 10 m de diámetro y 10 m de largo. Está hecho a base de subdetectores concéntricos, cada uno diseñado para un cometido de recogida especializado. El túnel LEP albergará también el Large Hadron Collider (LHC), gran colisionador de hadrones, que estará acabado en el año 2007.
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