Cómo funciona un acelerador de partículas (explicación fácil)
La aceleración de partículas es uno de los grandes hitos de la Ciencia en general, y de la Física en particular. Descubre en este artículo todo lo que necesitas saber sobre los aceleradores de partículas.
Lo primero que tienes que entender sobre los aceleradores de partículas, es que son instrumentos que utilizan tanto campos eléctricos, como campos magnéticos para impulsar partículas que están cargadas eléctricamente a velocidades muy elevadas. El objetivo de un acelerador de partículas suele ser el de generar nuevas partículas y, a su vez, estudiar la energía producida por el choque de las partículas en movimiento. Las aplicaciones que tiene son muchas y muy variadas, y su origen está estrechamente relacionado con el principio de la relatividad.
- Aplicaciones de un acelerador de partículas
- Tipos de aceleradores de partículas
- Anillos de almacenamiento
- ¿Cuántas técnicas de aceleración de partículas existen?
Aplicaciones de un acelerador de partículas
Como decía más arriba, las aplicaciones de un acelerador de partículas son muchas, teniendo un impacto real en nuestras vidas (aunque lo desconozcamos). Por lo general se suelen remarcar tres aplicaciones por encima de las demás. En primer lugar, los aceleradores de partículas se utilizan en el campo de la física para el estudio en detalle de las partículas elementales (aquellas que forman la materia, como por ejemplo los protones, los electrones, los neutrones, los piones o los muones). En segundo lugar, el acelerador de partículas es un instrumento fundamental del sector médico, siendo muy utilizado a la hora de administrar radioterapia en los tratamientos contra el cáncer. Por último, los aceleradores de partículas son muy utilizados por la industria militar en el desarrollo y simulación de armamento nuclear.
¿Cómo se utilizan los aceleradores de partículas en Física Fundamental?
Los aceleradores de partículas son esenciales a la hora de estudiar la Física del universo en detalle. Para ello, los aceleradores de partículas cargadas eléctricamente como por ejemplo los positrones, los antiprotones, electrones o iones, alcanzan velocidades cercanas a la velocidad de la luz (considerado el límite de velocidad del universo), para entrar en colisión posteriormente. El objetivo de todo ello es estudiar y analizar el comportamiento de las partículas en movimiento y en colisión, así como la energía generada como consecuencia de ambas acciones.
Inyectores en un acelerador de partículas
Tipos de aceleradores de partículas
En la actualidad se suelen diferenciar dos tipos de aceleradores de partículas. De un lado los aceleradores lineales y, de otro lado, los aceleradores circulares. Veamos a continuación qué diferencian tienen, y cómo se utiliza cada uno de ellos.
Mecanismo de un acelerador de partículas
Acelerador de partículas lineal
Los aceleradores de partículas lineales están compuestos por varios subconjuntos sucesivos, y cada uno de ellos tiene por objetivo cumplir con varias funciones. En primer lugar, se emiten las partículas cargadas gracias a un cátodo. Posteriormente, las partículas son inyectadas en un tubo vacío (repleto de aire, eso sí), en el que las partículas son aceleradas. Por último, se lleva a cabo la generación de velocidad (aceleración de partículas), a través de diferentes procedimientos físico-técnicos. Una vez realizado todo este proceso, el haz de partículas queda listo para su uso. En este caso, serán utilizadas para: producir rayos X de alta potencia con fines médicos; generar colimación, la restricción del haz de partículas, con la intención de reducir los niveles nocivos de radiación dispersa, también con fines médicos; su conexión a un acelerador de partículas circular, como parte del engranaje total en el estudio de física de partículas. Todas estas cuestiones formaron parte de las predicciones más brillantes del mundo de la física.
Los aceleradores lineales son, no obstante, los más antiguos de todos los aceleradores de partículas. Aparecieron en el año 1930 de la mano del acelerador lineal Wideroë en Estados Unidos. Posteriormente, en la década de 1960, se construyó en Orsay (Francia) un acelerador lineal, junto a su famoso Collision Ring de Orsay (ACO). Dicho anillo de colisión fue un gran avance ya que, si bien medimos la energía producida por las partículas en eV (electrón-voltio), el colisionador de Orsay generaba energía a otro nivel: GeV (1.000.000.000 de eVs). A pesar de tanta potencia, el acelerador lineal de Orsay fue desterrado por el de Stanford, Estados Unidos. Este último es el acelerador de partículas lineal más grande de todo el planeta.
En la imagen vemos un ejemplo de acelerador de partículas lineal
Acelerador de partículas circular
No se puede hablar de un tipo de acelerador circular de partículas, sino de varios tipos. En primer lugar, los ciclotrones, que son aceleradores donde la trayectoria de las partículas aceleradas adquieren una forma espiral. Esto se consigue gracias a los imanes de curvatura, que llegan a alcanzar varios metros de longitud. También encontramos los sincrotrones, en los que las partículas son aceleradas en un camino circular gracias a los imanes de flexión. En el caso de los sincrotrones, a medida que se aceleran las partículas, aumenta la energía de las partículas y, a su vez, el campo magnético. En último lugar, pero desde luego no menos importante, encontraríamos los colisionadores, que, de hecho, son muy similares a los sincrotrones. Esto es así porque las partículas también son aceleradas en una trayectoria circular, con un radio invariable. La principal diferencia entre los colisionadores y los sincrotrones, es que los colisionadores tienen como objetivo acelerar dos haces distintos de partículas en dirección opuesta y, llegado el momento, hacerles colisionar entre sí. Esa colisión genera una reacción y una energía que es, como norma, el objetivo del experimento. Entre los colisionadores más famosos del mundo encontramos el Gran Colisionador de Hadrones, ubicado en la frontera franco-suiza.
Anillos de almacenamiento
Los anillos de almacenamiento fueron ideados para almacenar y hacer circular partículas cargadas de manera indefinida. La mayoría están construidos bajo tierra, y en ellos las partículas alcanzan velocidades muy elevadas. Para conseguir esa gran velocidad de las partículas, los anillos constan de grandes campos eléctricos y las trayectorias están formadas por campos magnéticos. El objetivo es muy similar al de los colisionadores, ya que, una vez alcanzada una determinada velocidad, las partículas chocan unas contra otras, generando nuevas partículas y gigantescas cantidades de energía.
¿Cuántas técnicas de aceleración de partículas existen?
Existen diferentes maneras de acelerar partículas dentro de un acelerador. Sin embargo, las dos técnicas de aceleración más relevantes son: aceleración electroestática y la técnica de Luis Álvarez (también conocida como Wideroë).
Aceleración de partículas Wideroë o Álvarez
El haz de partículas atraviesa una serie de cavidades donde existe un campo de corriente alterna. En esos cambios de corriente alterna, el haz puede llegar a alcanzar una energía de más potencia que en la aceleración electroestática.
El físico estadounidense Luis Walter Álvarez, premio nobel de Física en el año 1968
Aceleración de partículas electroestática
En esta tipología de aceleración se aplica una alta tensión entre dos electrodos, lo cual genera un campo eléctrico. Dicho fácil, esa energía producida es equivalente en electronvoltios al diferencial de potencial.