Aceleradores de particulas

¿qué es un Acelerador de partículas?

Un acelerador de partículas es un dispositivo que mediante la utilización de enormes electroimanes crea unos campos electromagnéticos  para acelerar partículas cargadas hasta altísimas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se consigue hacer que los átomos se descompongan en sus partes mas elementales, pero también se consigue crear nuevas sustancias que generalmente suelen ser inestables como la famosa antimateria. Además esto sirve para estudiar el comportamiento de sustancias en condiciones extremas y para el estudio de nuevas partículas. Hay dos tipos básicos de aceleradores de partículas: los lineales y los circulares.(en este blog nos centraremos en los circulares ya que son los que se utilizan en la actualidad para realizar investigaciones)

Funcionamiento del acelerador

Como su propio nombre indica, en su forma más básica una máquina de este tipo no es más que un dispositivo que acelera partículas cargadas y luego las hace impactar contra un objetivo. Los hay de muy poca energía, como una televisión tradicional, y de muchísima energía, como el LHC que entrará en funcionamiento el año que viene, pero todos funcionan mediante el mismo concepto: la atracción y repulsión de cargas.

El tipo más sencillo y primitivo de acelerador de partículas es el tubo de rayos catódicos o CRT(Cathode Ray Tube), que sigue estando en muchas televisiones y monitores antiguos, aunque vayan siendo reemplazados ya por otro tipo de monitores como los de cristal líquido. Un tubo de rayos catódicos funciona de una manera sorprendentemente sencilla:

En primer lugar, se tiene un emisor de electrones (como veremos, es posible acelerar otras partículas subatómicas, pero los electrones son muy fáciles de obtener y muy ligeros comparados con su carga, de modo que son las más comúnmente utilizadas). El emisor suele ser un metal que está conectado a la corriente eléctrica y se calienta mucho. Los electrones del metal, a una temperatura elevada, se agitan tanto que son capaces de escapar de él: este efecto se denominaefecto termoiónico.

Una vez se tienen estos electrones libres, se aceleran utilizando un par de electrodos dentro de un tubo en el que hay un vacío imperfecto, uno negativo (en el extremo del tubo en el que están los electrones) y otro positivo (en el extremo opuesto). Sin entrar en disquisiciones acerca del campo eléctrico -ya tendremos tiempo de hacerlo en la serie correspondiente-, los electrones son repelidos por el electrodo cercano a ellos y atraídos por el opuesto, de modo que empiezan a moverse hacia el electrodo positivo, más y más rápido.

Por eso, querido lector, si tienes una televisión “tradicional”, verás que tienen un gran fondo: no es posible tener una televisión de ese tipo que sea muy fina. La razón es que, con un acelerador de este tipo, cuanto mayor es el voltaje entre los electrodos y más separados están (más recorrido tienen los electrones para acelerar), más velocidad pueden adquirir los electrones. Como sabes, los electrones son dirigidos a uno u otro punto de la pantalla mediante imanes, y allí forman la imagen, pero eso es ya otra historia.

¿Cuánta energía tienen los electrones de los televisores? Pues la verdad, no mucha, aunque probablemente más de la que pensabas: pueden acelerar hasta la cuarta parte de la velocidad de la luz (unos 75.000 km/s) mediante voltajes de unos 15.000-20.000 voltios. En física de partículas, lo que suele importar es la energía cinética que adquiere la partícula, que suele medirse enelectronvoltios (eV). Un eV es la energía que tiene un electrón cuando se acelera mediante un voltaje de un voltio, de manera que los electrones de tu televisor (si aún es CRT) tienen una energía de unos 15.000-20.000 eV, es decir, 15-20 keV (kiloelectronvoltios, o miles de electronvoltios). ¿Parece mucho? Espera a que sigamos con el artículo.

Los generadores de rayos X (utilizados, por ejemplo, para hacer radiografías) funcionan casi exactamente igual: se aceleran electrones a lo largo de un tubo recto, como en una televisión, y a continuación se hacen chocar contra un objetivo de algún metal, como el tungsteno: cuando los electrones -que van muy rápido- chocan contra el metal, pierden casi toda su energía, que es emitida en forma de fotones muy energéticos, es decir, rayos X. Los cañones de rayos X son bastante más largos que tu televisor, y funcionan con diferencias de potencial mucho mayores: imagina lo que puede lograrse con un tubo de metro y medio y millones de voltios. Este tipo de aceleradores puede lograr energías de millones de electronvoltios (MeV, megaelectronvoltios).

Sin embargo, los aceleradores de partículas más interesantes son, sin lugar a dudas, los empleados para hacer colisionar partículas subatómicas por los físicos para conocer más sobre la estructura de la materia. El problema con los tubos de rayos catódicos es que la energía que puede lograr un electrón (o cualquier otra partícula cargada) entre dos placas cargadas es bastante baja comparada con la energía necesaria para observar la mayor parte de los fenómenos interesantes para los físicos, de modo que pronto se desarrollaron nuevos aceleradores más complejos.

Una manera de evitar este problema es no utilizar dos electrodos, sino muchos: imagina que tienes cien placas metálicas, cada una con un agujero en el centro. Un cañón de electrones emite electrones libres en un extremo. Los electrones, como en la televisión, son repelidos por la placa junto a ellos y atraídos por la siguiente (cargada positivamente). Justo cuando el electrón atraviesa el agujero del electrodo positivo, se cambia la polaridad del circuito de modo que la placa queda cargada ahora negativamente, y la siguiente positivamente: el electrón es ahora repelido por la placa que acaba de atravesar, y atraído por la siguiente…

De este modo, si se tienen suficientes electrodos uno detrás de otro, y suficiente distancia, pueden lograrse velocidades gigantescas. Desde luego, los problemas prácticos son varios: en primer lugar, según los electrones se mueven más y más rápido, recorren distancias enormes, de modo que un acelerador de este tipo puede ser larguísimo. Además, piensa que muy pronto los electrones pasan de placa a placa tan rápido que las placas cambian de polaridad a frecuencias muy altas. De hecho, se convierten en emisores de microondas - y muchos de estos aceleradores se fabrican para convertirse en cavidades resonantes a esas frecuencias, para aprovechar las ondas generadas por las placas.

¿Donde se encuentran estos aceleradores?

• El Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider LHC por sus siglas en inglés), si duda el más importante por ahora, el cual inicio sus experimentos a finales de 2008 y aunque tuvo problemas iniciales, ha dado resultados importantes.(Forma parte del CERN)

         Ubicación: Ginebra, Europa (entre Francia y Suiza)

• El Bevatron, actualmente inactivo, comenzó sus operaciones en 1954, gracias a este acelerador los científicos pudieron encontrar el ‘antiprotón’ en 1955. Finalmente fue desmantelado en 1993. sirvió de ejemplo para la construcción de posteriores aceleradores como el Tevatrón y hasta el LHC del CERN. Ubicación: Berkeley, California (Estados Unidos)


• El Tevatrón, acelerador de partículas construido en 1983 y actualizado en años posteriores.
Ubicación: Batavia, Illinois (Estados Unidos)


• Acelerador Relativista de Iones Pesados (RHIC por sus siglas en inglés), es un acelerador de partículas que lleva operativo desde 1999.
Ubicación: Long Island, Nueva York (Estados Unidos)

¿cual es la polémica?

Actualmente mucha gente teme a las investigaciones en aceleradores ya que cuando se hacen chocar las partículas en direcciones opuestas hay un momento en el que la llamadas lentes gravitatorias podrían llegara causar un agujero negro que se "tragara" la tierra, de hecho se han llegado a crear nanoagujeros negros pero incapaces de hacer ningún daño. Actualmente seriamos incapaces de crear un agujero negro por motivos energéticos por lo que no hay que preocuparse.