Física

Como funciona un acelerador de partículas

Publicado por Monica González

En el siglo 20, una cantidad enorme de nuevas partículas fueron descubiertas y la idea sobre cuáles serían las partículas elementales, las constituyentes básicas de la materia, que no son formadas por ninguna otra partícula, cambió.
Podemos decir que la década del 50 marca el aparecimiento de la física de partículas como una nueva rama de la física. Y junto con el, un modelo para explicar esa nueva gama de partículas y sus interacciones, conocido como Modelo Estándar.

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Para estudiar esas pequeñas partículas y sus interacciones, o sea, para estudiar la materia en su interior, los investigadores precisaron crear artificialmente, condiciones en que las partículas se manifestasen con altísimas energías.

Para cumplir esa finalidad se desarrollaron aceleradores potentes, capaces de detectar anti-partículas, como los antiprotones (en 1955) y los antineutrones (1956).

Apenas para los efectos de comparación, un enchufe común puede resultar en un choque de una centena (102) de electrón-volt (eV), en tanto la altísima energía de las partículas deberían ser del orden de 1×109 (el número uno seguido de 9 ceros) a 1×1012 (el número 1 seguido de doce ceros). Por tanto fueron desarrollados los aceleradores de partículas.

Observación: Un electrón-volt (eV) representa la energía que un electrón adquiere al ser acelerado por una ddp (diferencia de potencial) de 1 V. Es una unidad de energía comúnmente utilizada en física nuclear. 1 eV corresponde a 1,6 x 10 -19 J.

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El átomo de hidrógeno, posee un protón (carga positiva) en el núcleo y un electrón (carga negativa) orbitando alrededor de ese núcleo, conforme el modelo atómico de Böhr.

Funcionamiento

Para obtener la fuente de iones los investigadores pueden utilizar:

Electrones: por medio del calentamiento de un metal o por una descarga eléctrica, permitiendo que la energía de enlace (entre protón y electrón) sea vencida y resultando en la separación de los electrones. Es lo que ocurre en la televisión, donde los electrones son liberados por el calentamiento de un filamento y también en el llamado tubo de rayos catódicos. Así, se logran muchos electrones separados que pueden ser direccionados por la acción de campos eléctricos y magnéticos, resultando en haces de partículas.

Protones: Obtenidos por la ionización de hidrógeno, a través del mismo proceso citado anteriormente. Al final, si el electrón es separado del hidrógeno, nos quedamos con el protón también separado.

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Antipartículas: Obtenidas cuando partículas con altísimas energías colisionan con un blanco. En la colisión son creados pares de partículas y antipartículas por medio del intercambio de fotones o gluones. Esos pares son separados con la utilización de campos magnéticos.

Aceleración y Colisión

El haz de partículas producido es utilizado en el acelerador, donde campos eléctricos atraen o repelen esas partículas cargadas, produciendo una aceleración.

El sentido y la dirección de estas partículas son controlados por medio de campos magnéticos asociados a imanes gigantes colocados a lo largo del acelerador. Esos campos magnéticos tienen que ser más intensos a medida que la velocidad de la partícula aumenta, pues con la aceleración, esas partículas aumentan también su energía cinética, volviéndose más difícil cambiar su trayectoria. Con una energía bastante mayor, el haz de partículas colisiona con un blanco, donde detectores van a recoger informaciones de acuerdo con el interés de los investigadores.

Esas colisiones pueden ocurrir de la siguiente forma:

Blanco fijo: El haz de partículas, luego de obtener una gran cantidad de energía en el acelerador, colisiona con un blanco inmóvil.

Blanco Móvil: Son utilizados dos haces de partículas en sentidos contrarios que se cruzarán. Consecuentemente, algunas partículas colisionarán.

Súper-Acelerador

El año de 2008 representa un gran avance en el área de la física de partículas, pues marca el inicio de las investigaciones con un súper-acelerador de partículas que representa el mayor emprendimiento científico y tecnológico de actualidad.

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Denominado LHC (Large Hadron Collider – Gran Colusor de Hadrones), con 27 Km de circunferencia, construido a 100 metros de profundidad y alcanzando los países de Francia y Suiza.
Este acelerador hará las partículas nucleares (protones, que son hadrones formados por dos quarks up y un down – uud) chocar entre sí con altísimas energías.
Durante las colisiones son esperadas energías en torno de TeV (trillones de electrón volts eV).
Comparando con la energía obtenida con el ciclotrón de Ernest Lawrence se puede ver el avance obtenido.
El LHC está amparado en el CERN (Conseil Européen pour La Recherche Nucléaire – Consejo Europeo para Investigaciones Nucleares), hoy denominado European Laboratory for Particle Physics – Laboratorio Europeo para Física de Partículas.

Categorías: Dinámica de una partícula, energía, Física atómica y molecular, Física de Partículas