Física

La aceleración de partículas

Publicado por Monica González

Un acelerador de partículas provoca un aumento de velocidad en una partícula cargada por medio de campos electromagnéticos y esa partícula es disparada contra un punto específico, donde existen detectores que registran el evento.

Dos conceptos físicos están presentes en esta situación: el aumento de velocidad de la partícula cargada, su aceleración, ocurre debido a la presencia de un campo eléctrico, siendo que el cambio de trayectoria (cuando es curvada) resulta de la acción de un campo electromagnético.

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Un ejemplo simple de acelerador de partículas es la televisión, donde electrones son liberados, acelerados por un campo eléctrico y colimados por un campo magnético, alcanzando la pantalla y formando la imagen al colisionar con ella.

Los aceleradores de partículas tienen como principio de funcionamiento una fuente de iones generalmente obtenida ionizando átomos de hidrógeno, constituidos por un protón en su núcleo, conjuntamente con un neutrón y un electrón orbitando a su alrededor.

Existen, en lo que se refiere a forma, dos tipos de aceleradores de partículas: lineares y circulares. En los aceleradores lineares, también llamados linacs, el haz de partículas prácticamente recorre una trayectoria rectilínea desde una extremidad a la otra del acelerador.

Ya, en los aceleradores circulares, también llamados ciclotrons, el haz de partículas recorre trayectorias circulares varias veces antes de colisionar con el objetivo. En cada vuelta, las partículas son más aceleradas, debido a la presencia de campos eléctricos que dan nuevos impulsos a las partículas. En este caso, imanes gigantes son utilizados para mantener el haz de partículas en su trayectoria circular.

Es importante recordar que las partículas cargadas en movimiento están asociadas a un campo magnético a su alrededor y se vuelven un imán. Otros imanes gigantes, estratégicamente colocados a lo largo del acelerador circular, interactúan con el campo de las partículas cargadas, alterando su trayectoria.

Estos imanes gigantes representan fuerza constante en dirección al centro del crículo, fuerza esta que mantiene el eje de partículas en trayectoria circular, sin aumentar o disminuir la energía de las partículas que componen el haz.

En los aceleradores de partículas se crea una situación de vacío de alta precisión, para evitar que las partículas cargadas colisiones con otros tipos de partículas o pedazos de materia.

Comparaciones

Comparando los dos tipos de aceleradores, tenemos que los circulares son bastante más eficientes, pues cada vuelta, las partículas reciben nuevos impulsos, aumentando su energía, lo que permite que los investigadores consigan partículas con energía altísima antes de las colisiones.

Otra ventaja de los aceleradores circulares es la de que no precisan ser muy amplios para alcanzar alta energía, ya que el haz de partículas da varias vueltas. Ese número de vueltas también aumenta la chance de colisiones entre partículas que se cruzan.

Con relación a los aceleradores lineales, son bastante más fáciles de construir, pues no necesitan de imanes potentes para mantener la trayectoria circular (como en el caso de los aceleradores circulares) el haz de partículas, ya que ellas recorrerán una trayectoria rectilínea.

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Los aceleradores circulares también precisan de un gran radio para que las partículas alcancen la energía necesaria, lo que vuelve su costo, bastante mayor que el de un linear.
Otro aspecto importante considerado por los investigadores, es que las partículas cargadas irradian energía cuando son aceleradas y cuando trabajamos con altas energías la radiación perdida es mayor para aceleraciones circulares.

Estos son algunos de los aspectos importantes que deben ser considerados por investigadores y financiadotes de investigaciones antes de la construcción de un acelerador de partículas.
Primer Acelerador de Partículas

Podemos decir que el predecesor de los aceleradores circulares fue el ciclotrón construido en 1929 por Ernest Lawrence, ganador del premio Nobel en 1939. En el ciclotrón tenemos una geometría circular dividida a la mitad, donde protones son inyectados en su parte central y gracias a los cambios de polaridad del campo eléctrico existente entre las dos mitades, son acelerados y van recorriendo órbitas mayores hasta dejar el acelerador.

Las orbitas circulares son posibles gracias a la presencia de un campo magnético uniforme, dispuesto perpendicularmente a la base. Aquí, energías del orden de 106 eV (1Gev*) son alcanzadas.

Aquí algunas equivalencias para dimensionar la cantidad de energía que se maneja en los aceleradores de partículas

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Estos principios básicos fueron de extrema importancia para el desarrollo de los aceleradores circulares.

* Gigaelectronvoltio


Categorías: Campo electrostático, Física atómica y molecular, Física de Partículas