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Particle Accelerators: “the super-microscopes”. We describe the importance of accelerators in particle physics, their basic principles, different types and uses. We include a detailed study of one of the main applications, namely synchrotron radiation. Aceleradores y detectores de partículas son los microscopios que permiten adentrarse en lo más profundo de la materia. La sonda o proyectil es una partícula dotada de la energía necesaria para que su longitud de onda sea comparable al tamaño de los detalles que se quieran estudiar. Cuanto más grande sea la energía de la sonda, menor será su longitud de onda, tal y como se puede deducir de la relación de De Broglie. La naturaleza pone a nuestro alcance diversos tipos de proyectiles, algunos de energía muy grande. Por ejemplo, las partículas emitidas por ciertos elementos radiactivos pueden tener energías hasta unos pocos MeV¹. Lanzando estos proyectiles sobre los átomos se descubrió la existencia de los núcleos, que tienen dimensiones del orden del fermio o del femtómetro (10-15 m). Para conocer la estructura de las partículas elementales es necesario disponer de energías superiores al GeV. La radiación cósmica contiene partículas con energías que pueden llegar a 1020 eV, una energía enorme que es un millón de veces la energía alcanzada en los aceleradores actuales. Pero los rayos cósmicos tienen muchos inconvenientes para ser usados como proyectiles: tipos de partículas desconocidas, intensidad débil, gran dispersión en energía… Por esta razón a principios de los años treinta se construyeron los primeros aceleradores de partículas, para obtener haces intensos y controlables de proyectiles con una energía desconocida. El progreso realizado desde entonces ha sido considerable. Además, concentran una gran cantidad de energía en un pequeño volumen, y ésta se puede materializar en nuevas partículas: es una consecuencia de la famosa ecuación de Einstein E=mc2. En este sentido, los “microscopios” a los que nos referíamos son un poco especiales: muy a menudo se trata de destruir las estructuras, creando otras nuevas para profundizar en la estructura íntima de la materia. Los aceleradores más sencillos son los electrostáticos, que se basan en la aplicación de una diferencia de potencial entre una fuente de partículas cargadas y un blanco fijo. El primero de estos aceleradores se construyó en 1932, y aceleraba iones pesados hasta 600 KeV. Un gran número de este tipo de aceleradores todavía están hoy en servicio y su principal mérito es acelerar cualquier tipo de partícula cargada con una pequeña dispersión de energía. Su límite estriba en la alta tensión, a causa de los fenómenos de descarga. Este inconveniente desaparece utilizando para acelerar un campo eléctrico variable de alta frecuencia o de radiofrecuencia sobre la trayectoria que recorre la partícula. Es lo que se conoce con el nombre de acelerador lineal basado en campos de radiofrecuencia. El primero, construido en el año 1931, aceleró iones de mercurio a 1.26 MeV. Esta tecnología estaba limitada en la época porque no se podían alcanzar altas frecuencias. Pero la puesta a punto del radar en la Segunda Guerra Mundial dio acceso a frecuencias más elevadas. En 1948 se construyó un acelerador lineal de protones a 32 MeV utilizando frecuencias de 200 MHz. Desde entonces las frecuencias no han hecho sino aumentar. Este campo eléctrico de alta frecuencia está pulsado para limitar la frecuencia máxima deseada. El haz procedente de un acelerador lineal será por tanto pulsado. En la actualidad se utilizan sobre todo como inyectores de otros aceleradores.
Figura 1. En la parte inferior aparece E.O. Lawrence con un ciclotrón de demostración que le cabe en la mano, y en la parte superior aparece una vista aérea de los alrededores del CERN, entre la frontera de Francia y Suiza: la línea blanca indica en cada caso la circunferencia de los aceleradores. El LEP no se ve en la figura sino que está en un túnel que sigue la línea blanca, pero a unos 100 metros bajo tierra. La circunferencia tiene unos 27 km. Delante del LEP, para comparar, aparece el aeropuerto de Ginebra. El mismo año 1932 aparecieron los aceleradores circulares. En el ciclotrón se utiliza un campo magnético uniforme e independiente del tiempo para acelerar partículas cargadas, que se mueven en un plano perpendicular al campo magnético describiendo una espiral, cuyo radio aumenta con la energía. Los ciclotrones producen un haz continuo, pero su energía está limitada a una pequeña fracción de la masa de los proyectiles. Actualmente son los aceleradores más utilizados en medicina, pero se han abandonado para la investigación en física. El problema es que la trayectoria de las partículas es una espiral, cuyo radio aumenta cada vez más, por lo que es necesario un campo magnético en un volumen cada vez mayor. La alternativa es utilizar electroimanes, repartidos a lo largo de la trayectoria, para dar una aceleración centrípeta a las partículas y mantenerlas en una órbita cerrada. El primer sincrotón se construyó en 1952, y aceleraba partículas hasta 3 GeV. En la actualidad se llegan a energías de 1 TeV por protón. En los dos tipos de aceleradores considerados, el blanco está siempre fijo. La energía disponible para la creación de nuevas partículas es una pequeña fracción de la energía del proyectil, mientras que el resto se manifiesta en forma de energía cinética después de la colisión. Se puede ganar mucha más energía si el blanco está también en movimiento y si la colisión es frontal o casi frontal. Este nuevo tipo de aceleradores se llama colisionador, y es el que se utiliza actualmente en física de altas energías. Para dos partículas de igual masa y energía se puede doblar la energía de la colisión. Por ejemplo, un colisionador protón-antiprotón de 630 GeV es equivalente a un sincrotón de protones de blanco fijo de 212 TeV. En el CERN está instalado el LEP (Large Electronic Positron). Comenzó a funcionar en el 1989 haciendo colisionar electrones y positrones a 45 GeV por haz. La energía ha ido aumentando hasta los actuales 103 GeV por haz. A finales del 2000 será desmantelado para ubicar en su túnel el nuevo LHC (Large Hadron Collider) donde se producirán colisiones protón-protón a 7 TeV por haz. Desafortunadamente, aumento de energía significa también aumento de tamaño y por tanto aumento de costos. Los primeros ciclotrones eran pequeños, y su inventor construyó incluso uno de demostración que le cabía en una mano. Se puede observar en la figura 1, donde aparece también una vista aérea de los alrededores del CERN, con el dibujo de una circunferencia de unos 27 km, que corresponde al LEP. El nivel tecnológico necesario para desarrollar estos aceleradores es cada vez más alto. En el caso del LHC todos los imanes serán superconductores que llegarán a campos magnéticos de 9 teslas. Eso hará que el tipo de funcionamiento sea totalmente diferente del LEP, donde sólo una pequeña parte de los imanes son superconductores. Por otra parte, se debe decir que de este nivel se beneficia tanto la industria como la sociedad en general. El ejemplo más significativo es el de la World Wide Web, que nació como un medio de comunicación para los físicos y que hoy utiliza todo el mundo. Aunque parezca increíble, este gran aparato es muy sensible a efectos externos insospechados. Por ejemplo, el paso de los trenes de alta velocidad o incluso las mareas lunares se deben tener en cuenta para calibrar y controlar la energía de las partículas. Antes de entrar en un acelerador como el LEP (véase figura 2), las partículas salen de una fuente de iones, electrones, positrones o protones, y pasan por los sistemas de inyección que las aceleran antes de entrar en la cámara de vacío. Esta es como una cañería por la cual circulan las partículas. Se tiene que hacer el vacío para evitar que las partículas aceleradas colisionen con las partículas del aire. El vacío es de 10-9 torr, comparable al vacío lunar. La cámara está rodeada de un campo magnético guía que hace que las partículas giren en una órbita cerrada, y por un campo focalizador para que se mantengan alrededor de la órbita ideal, para lo que deben hacer oscilaciones laterales (radiales y verticales). Toda partícula cargada pierde energía al ser sometida a una aceleración. Así, en cada revolución la partícula pierde una fracción de su energía en forma de luz: es lo que se conoce como radiación sincrotón, de la que volveremos a hablar al final de este artículo. Esta pérdida indeseable de energía, inversamente proporcional a la masa de la partícula acelerada, se debe compensar cada vez con cavidades de radiofrecuencia. Lo que se hace es dar una aceleración periódica que agrupa las partículas en paquetes, haciendo que oscilen también longitudinalmente. Las partículas circulan en haces formados por uno o más paquetes, con una velocidad próxima a la de la luz en el vacío, oscilando en todas las direcciones y emitiendo radiación sincrotón. Para las oscilaciones transversales, la amplitud de las oscilaciones viene dada por las dimensiones de la cámara de vacío. Así pues, una partícula no viaja sola, sino que lo hace en paquetes, en compañía de unas 109 partículas idénticas en un volumen de un milímetro cúbico aproximadamente. Si todas las partículas tienen cargas del mismo signo, la repulsión electrostática se opone a mantenerlas en un volumen pequeño. Afortunadamente, para altas energías próximas al GeV los efectos relativistas dominan y esta repulsión desaparece. Otro problema técnico es que la cámara de vacío es metálica. Por eso, cada partícula cargada del paquete produce un campo magnético en el metal que perturbará el movimiento de los otros paquetes de partículas almacenadas que vengan detrás. Este efecto es similar al que experimenta un barco cuando sigue la estela de otro, y como en este caso todas las partículas oscilan colectivamente con una amplitud que aumenta rápidamente con el tiempo, se debe actuar con mecanismos para controlar y suprimir estas oscilaciones perturbadoras. En un colisionador como el LEP circulan por la cámara de vacío electrones y positrones que, por tanto, siguen direcciones opuestas. Y aquí viene la parte más interesante: ¿Cómo hacer que choquen? Los haces se mantienen en las órbitas ideales, y se hacen coincidir en ciertos puntos de interacción que es donde se colocan los detectores. Contrariamente a lo que se puede pensar, es difícil hacer que colisionen: los paquetes de electrones y positrones se cruzan sin sentir más que una distorsión mutua que modifica las órbitas respectivas. Este efecto es importante a densidades de corriente altas y limita lo que se denomina la luminosidad del haz y por tanto el número de interacciones que se pueden producir. Ocasionalmente, en cada cruce de haces, un electrón llega a estar tan cerca de un positrón que se produce la colisión, hecho que da lugar a una dispersión, como si se tratara de dos bolas de billar, o bien produciendo una aniquilación que produzca nuevas partículas. La parte más delicada es, por tanto, conseguir el máximo de colisiones en las zonas diseñadas, donde los detectores recogerán los productos de la colisión. En el futuro acelerador LHC se harán chocar dos haces de protones, por lo que se han de construir dos cámaras de vacío diferentes, haciendo que en cada una los protones viajen en sentido contrario, y estableciendo puntos de cruce entre los dos haces. Como ya hemos advertido, los aceleradores circulares tienen un efecto no deseado por los primeros usuarios: la energía de las partículas aceleradas se pierde en forma de radiación sincrotón. Esta pérdida consiste en un haz de luz muy intenso, emitido hacia delante en un cono que tiene un ángulo de abertura de una decenas de microradianes, distribuido en un continuo de longitudes de onda, desde el infrarrojo lejano hasta la región de los rayos X, polarizado en el plano de la órbita y con un brillo que supera el de las fuentes convencionales en un factor superior a 108. Como la luz es la sonda más utilizada en el estudio de la materia en prácticamente todas las disciplinas científicas, no es sorprendente que esta “pérdida” se haya convertido en un instrumento esencial para la investigación fundamental y que se aplique en campos muy diferentes. Por eso cerraremos este artículo con unas referencias no exhaustivas a estas aplicaciones. Para dar una idea de su importancia, digamos que hoy en día los usuarios de la luz de sincrotón ya no utilizan parasitariamente los aceleradores de la física nuclear, sino que han construido sincrotones dedicados exclusivamente a la producción de luz. Todos lo países avanzados (y no tan avanzados) tienen fuentes propias y participan en proyectos de cobertura continental. Un vistazo a la distribución europea de fuentes de luz sincrotón muestra que al sur de la línea que une París (Francia) con Trieste (Italia), no hay ninguna fuente nacional, hecho que muestra la urgente necesidad de construir una. La radiación sincrotón es actualmente un instrumento imprescindible en campos tan diversos como la investigación avanzada en cosmética y en industria de los alimentos; en catalizadores y en problemas de contaminación; en fibras artificiales y en productos farmacéuticos; en microelectrónica y en micromecánica. La lista de ejemplos no se acaba, pero con estos ya puede verse que la capacidad de la radiación sincrotón va mucho más allá de ser un instrumento para la pura investigación aplicada. El acceso fácil a una fuente de luz sincrotón es imprescindible en cualquier campo de investigación competitiva como la que practican los países de nuestro entorno. Por citar algún ejemplo de aplicación en ciencia básica, nos referiremos solamente a la biología. La radiación sincrotón ha permitido estudiar los cambios conformacionales de macromoléculas biológicas en disolución, empleando técnicas de dispersión de rayos X con resolución temporal, dada la estructura temporal de esta radiación. Un campo en expansión es el relacionado con complejos biológicos que forman estructuras bidimensionales, como las membranas; los experimentos de difracción de rayos X a ángulos pequeños proporcionan información directa sobre la dinámica estructural de estos sistemas en funcionamiento, por ejemplo cuando transportan iones o pequeñas moléculas a través de una membrana. Consideraciones similares se pueden hacer en el caso de los estudios de dinámica estructural de muchas otras moléculas fibrosas, como el DNA o el tejido muscular. Un ejemplo espectacular de la potencia de la radiación sincrotón es la manera como ha transformado la solución de la estructura atómica de sistemas biológicos usando cristales de moléculas macrobiológicas. La resolución de una estructura necesitaba años de trabajo, mientras que ahora las técnicas de radiación sincrotón permiten hacerlo, de manera casi rutinaria, en cuestión de horas. Este enorme progreso, después de la finalización del proyecto del genoma humano, permite contemplar de forma realista el paso al siguiente reto científico: la determinación de la estructura de aproximadamente las 100.000 proteínas codificadas del genoma humano. Esta disciplina, que ahora se conoce como la “proteónica”, es probable que se convierta en una de las grandes conquistas del siglo XXI y la radiación sincrotón será uno de los instrumentos centrales e indispensables para su éxito: El futuro de la radiación sincrotón como instrumento de investigación será tan brillante como la intensidad de sus propias fuente. Si todas las partículas tienen cargas del mismo signo, la repulsión electrostática se opone a mantenerlas en un volumen pequeño. Afortunadamente, para altas energías próximas al GeV los efectos relativistas dominan y esta repulsión desaparece. Otro problema técnico es que la cámara de vacío es metálica. Por eso, cada partícula cargada del paquete produce un campo magnético en el metal que perturbará el movimiento de los otros paquetes de partículas almacenadas que vengan detrás. Este efecto es similar al que experimenta un barco cuando sigue la estela de otro, y como en este caso todas las partículas oscilan colectivamente con una amplitud que aumenta rápidamente con el tiempo, se debe actuar con mecanismos para controlar y suprimir estas oscilaciones perturbadoras. En un colisionador como el LEP circulan por la cámara de vacío electrones y positrones que, por tanto, siguen direcciones opuestas. Y aquí viene la parte más interesante: ¿Cómo hacer que choquen? Los haces se mantienen en las órbitas ideales, y se hacen coincidir en ciertos puntos de interacción que es donde se colocan los detectores. Contrariamente a lo que se puede pensar, es difícil hacer que colisionen: los paquetes de electrones y positrones se cruzan sin sentir más que una distorsión mutua que modifica las órbitas respectivas. Este efecto es importante a densidades de corriente altas y limita lo que se denomina la luminosidad del haz y por tanto el número de interacciones que se pueden producir. Ocasionalmente, en cada cruce de haces, un electrón llega a estar tan cerca de un positrón que se produce la colisión, hecho que da lugar a una dispersión, como si se tratara de dos bolas de billar, o bien produciendo una aniquilación que produzca nuevas partículas. La parte más delicada es, por tanto, conseguir el máximo de colisiones en las zonas diseñadas, donde los detectores recogerán los productos de la colisión. En el futuro acelerador LHC se harán chocar dos haces de protones, por lo que se han de construir dos cámaras de vacío diferentes, haciendo que en cada una los protones viajen en sentido contrario, y estableciendo puntos de cruce entre los dos haces. 1. Una aclaración sobre las unidades. La energía adquirida por un electrón sometido a una diferencia de potencial de un voltio es el electronvolt (eV), y aquí utilizaremos los múltiplos kilo (103), mega (106), giga (109) y tera (10¹²). Joan Bordàs. Institut de Física d’Altes Energies, Universitat Autònoma de Barcelona. |
«Concentrando una gran cantidad de energía en un pequeño volumen, ésta se puede materializar en nuevas partículas: es una consecuencia de la famosa ecuación de Einstein E=mc²»
Figura 2. Interior del túnel del LEP. En la parte de abajo se ven los diferentes elementos que componen el acelerador (en azul en primer plano se ve un cuadrupolo), mientras que arriba aparece un hombre utilizando el sistema de transporte para desplazarse dentro del túnel.
«El paso de los trenes de alta velocidad o incluso las mareas lunares se deben tener en cuenta para calibrar y controlar la energía de las partículas» «La radiación sincrotón es actualmente un instrumento imprescindible en campos tan diversos como la investigación avanzada en cosmética y en industria de los alimentos» |
