Los aceleradores de partículas son máquinas tecnológicamente complejas que utilizan campos eléctricos y magnéticos para acelerar partículas cargadas. Los diversos tipos de aceleradores difieren en el tipo de partículas aceleradas y en su uso, pero todos se basan en los mismos principios operativos. La ecuación básica es la que describe el movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico y magnético es la ecuación de Lorentz, que toma su nombre del físico holandés Hendrik Antoon Lorentz, Premio Nobel de Física en 1902.
Acelerador de Partículas
¿Qué es un acelerador de partículas?, ¿para qué sirve un acelerador de partículas? Para resolver todas estas preguntas hemos creado este artículo donde intentaremos resolver de la forma más sencilla que podamos todos estos conceptos muchas veces difíciles de entender.
Una noticia que surgió en los medios, durante el verano del, que nos sobresaltó. Unos medios que hablaban de la Partícula de Dios y de un extraño aparato llamado acelerador de partículas del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear).
La verdad es que los físicos no hablan de «la partícula de dios», que fue el nombre con el que se bautizó al bosón de Higgs, o la partícula de Higgs, el cual es el que ayuda a que todas las partículas tengan masa y se espera de él que pueda resolver muchos de los misterios que entraña la creación del universo. Desde esta rama, se entiende la creación del universo como que había una gran cantidad de partículas y energía en forma de calor, de la interacción de ambas surgiría el universo.
Para poder reproducir estas condiciones en las que surgió el universo se creó el acelerador de partículas, puesto que a través de él se pueden recrear y estudiar el funcionamiento de las partículas, el choque de las mismas y el efecto que produce, aunque no es tan sencillo.
Qué es un Acelerador de Partículas
Básicamente, un acelerador de partículas es un instrumento en forma de tubo o túnel, que utiliza campos electromagnéticos para acelerar a gran velocidad las partículas cargadas con el fin de que éstas choquen con otras partículas.
Con el choque se generan nuevas partículas, pero estas nuevas partículas son demasiado inestables, desapareciendo en milésimas de segundo. Este choque que se produce en el acelerador de partículas permite estudiar las partículas que chocan a través de las nuevas que se generan.
Los aceleradores de partículas pueden ser de dos tipos, lineales y circulares. Un ejemplo de acelerador básico de partículas pude ser un televisor antiguo, pues poseían un tubo de rayos catódicos para reflejar las imágenes.
Acelerador de Partículas | Acelerador Lineal
Los aceleradores lineales son una sucesión de tubos con placas colocados en línea a los que se les aplica una corriente eléctrica alterna. Cuando las partículas se acercan a esas placas se aceleran, puesto que la polaridad del campo eléctrico es opuesta a la de la partícula. Cuando atraviesa esta placa la polaridad cambia y al invertir la polaridad esta partícula es repelida, acelerándose hacia la siguiente placa, donde sufrirá el mismo proceso.
Este proceso lo hemos visto aplicado a una sola partícula pero un acelerador de partículas no trata una sola, sino a un haz de partículas. Al estar en un ambiente controlado, y pudiendo aplicar a cada placa un potencial alterno controlado, se puede repetir el experimento de forma continua para poder observar mejor el comportamiento de estas partículas.
De esta forma, las partículas se van acelerando hasta acercarse a la velocidad de la luz, con lo que la necesidad de alternar los campos eléctricos a gran velocidad, hace necesario operar con frecuencias de microondas.
SLAC el acelerador lineal más largo del mundo
Este tipo de aceleradores lineales se utilizan muchas veces como primera etapa antes de pasar a un acelerador de partículas circular. El Colisionador Electrón-Positrón Standfor (SLAC) con 3 km de longitud es el acelerador de partículas lineal más largo del mundo.
Acelerador de Partículas | Acelerador Circular
Los aceleradores de partículas circulares emplean tanto campos magnéticos como campos eléctricos, duplicando la potencia y consiguiendo aceleraciones mayores en menor espacio, si ademas le añadimos que al ser circular podemos mantener una configuración determinada el tiempo que necesitemos necesario, pudiendo funcionar, teóricamente de forma indefinida.
Sección circular
Pero en un acelerador capaz de hacer circular las partículas a tanta velocidad, tiene un límite ya que cuando las partículas se cargan de demasiada energía al ser aceleradas, emiten una radiación llamada Sincrotrón. Cuando una partícula emite esta radiación pierde energía y esta pérdida es proporcional a la aceleración impartida. Es decir, cuanto mayor es la aceleración más energía pierde una partícula.
Esta radiación llamada luz sincrotrón, puede ser aprovechada como fuentes de Rayos X de alta energía. Esta radiación se produce principalmente con los electrones, ya que son las partículas más ligeras, por lo que cuando se quiere generar grandes cantidades de esta luz sincrotrón, se utilizarán electrones.
Luz sincrotrón
Para estudios científicos de energía se utilizan para acelerar las partículas más pesadas, como los protones. Con los protones o núcleos ionizados, las partículas se acelerarán sin llegar a la radiación, pudiendo cargarlos con mayor energía.
Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN), ahora llamado Organización Europea para la Investigación Nuclear, aunque sigue manteniendo sus antiguas siglas, ha construido el mayor acelerador de partículas circular del mundo. Preparado para estudiar las alteraciones que se producen al colisionar un haz de electrones con otro de positrones que circulan en sentidos contrarios.
Se trata de un túnel circular de 26,7 km. de largo y un diámetro interior de 3,8 m, se encuentra enterrado a una profundidad de entre cincuenta y ciento setenta y cinco metros. A este tubo lo redan 3.368 imanes de curva y 1.300 imanes de focalización, 128 cavidades aceleradoras capaces de producir cuatrocientos millones de voltios que se utilizarán para la aceleración por vuelta.
Acelerador de Partículas para qué sirve
Al tratarse de investigaciones muy recientes y en continuo avance, las aplicaciones pueden ser extraordinarias. En Medicina, la utilización de chorros o haces de partículas se utilizan en terapias para en tratamiento del cáncer, también en el desarrollo de los radio-fármacos. Pero sus usos pueden ser de ciencia ficción, ya que en un futuro no muy lejano, se podría desarrollar un escalpelo láser de haces para poder realizar cirugías de máxima precisión.
Prototipo Tratamiento de Cáncer
Los tratamientos con láser ya son muy conocidos en algunas terapias y cirugías, como en las operaciones oculares donde se pueden retirar tejidos dañados, necesitando cirugía de alta precisión. Los láser de electrones libres (FELs), son capaces de destruir tejidos dañados sin tocar ni dañar los tejidos sanos.
Sin embargo, la medicina no es el único campo en el que se puede aplicar. Los aceleradores nos podrán permitir en un futuro poder dividir los residuos nucleares, separando los residuos de larga duración y transformarlos en materia inofensiva e inocua. Lo que supondría un gran avance para la protección Medioambiental.
Aunque uno de los fines para los que se está investigando con más fervor es para la obtención de energía. Provocando fisiones nucleares y liberando energía, tiene una ventaja importante frente a las tradicionales estaciones nucleares, ya que no hay riesgos de una reacción en cadena. Si el acelerador se apaga, se interrumpe la fisión.
Para que un reactor de fusión nuclear sea verdaderamente “limpio”, y no produzca residuos nucleares radiactivos, se necesitaría eliminar los neutrones en la reacción de fusión.
Esto es a grandes rasgos que es un acelerador de partículas. Pero siendo un tema tan profuso y complicado hemos creído conveniente dejaros unos pequeños apuntes de lo que es un átomo y de qué está compuesto.
Acelerador de Partículas – Qué es un Átomo
El descubrimiento de la partícula de Dios o el Bosón de Higgs, que fue el nombre que recibió, significó un avance en la comunidad científica que celebramos todos.
Comencemos por el principio, sabemos que toda materia está formada por átomos y cada átomo está compuesto por un núcleo, el núcleo está formado a su vez, por protones y neutrones y girando alrededor del núcleo se encuentran los electrones.
Para hacerlo simple, vemos que en este dibujo de un átomo existe un núcleo ese núcleo está compuesto de Protones (rojo y carga positiva) y Neutrones (azul y con carga neutra). El tamaño de un átomo es muy pequeño, estimado en 10-10 m., el tamaño del núcleo es mucho más pequeño siendo 10-14 m., si lo comparásemos con objetos cotidianos, imaginemos que el núcleo tiene el tamaño de una pelota de tenis, con ese núcleo el tamaño de nuestro átomo sería de 1 km.
Dentro del átomo también se encuentran los electrones, representados en el dibujo en color verde. Los electrones se encuentra fuera del núcleo pero a distancia suficiente de éste, ya que al tener carga negativa, mientras que el núcleo tiene carga positiva, tenderían a unirse, llegando a la desintegración del átomo.
Luego los Electrones, en nuestro ejemplo se encontrarían como a 1/2 km del núcleo. Al principio se pensaba que los Electrones giraban en una órbita regular, por lo que entre el núcleo y los electrones, se creía que no existía nada, pero hoy se sabe que los electrones dispersos en los orbitales atómicos, representado en el dibujo como nube electrónica.
El papel de los neutrones, es fundamental para conseguir la cohesión del núcleo, evitando así que el protón salga del núcleo. Pero esto lleva a otro planteamiento, qué es lo que hace que el núcleo no se desintegre, luego tiene que existir otra fuerza que impida que tanto el neutrón como el protón salgan del núcleo. La repuesta está dentro de ellos mismos, tanto los portones como los neutrones están formados por unas partículas aún más pequeñas, responsables de esa fuerza núclear, llamados quarks.
Simplificando, los quarks pueden ser de dos tipos, los llamados Up (u) y los llamados Down (d). Los protones tienen 2 quarks Up y 1 quarks Down = 2 (u)+ 1 (d). Los neutrones lógicamente estarán compuestos por 1 quarks Up y 2 quarks Down = 1 (u) + 2 (d).
Vídeo para qué sirve un acelerador de partículas
Los datos que te hemos compartido son básicos, es el inicio. Si quieres profundizar realmente en lo que es un acelerador de partículas te recomiendo mucho que veas el vídeo que te dejamos a continuación, pues se trata de un documental «locos por las partículas» (estupendamente doblado en castellano) que te permitirá conocer uno de los mayores descubrimientos de la ciencia de los últimos años, el Gran Colisionador de Hadrones. A su vez, podréis ver el trabajo de 6 brillantes científicos durante la activación de este colisionador para llevar a cabo el mayor y más caro experimento de la historia. Un documental impresionante:
Una vez que ya hemos entendido que es un acelerador de partículas, quizás quieras profundizar un poco más en este tema por lo que os proponemos una serie de artículos de EspacioCiencia, que quizás os pueda ser de ayuda.
