Introducción

Los objetivos de este informe son

• Conocer en forma general el funcionamiento, características y clasificación de los aceleradores de partículas modernas.

• Conocer la utilidad de los aceleradores.

• Evaluar sus ventajas y desventajas.

• Investigar acerca de algunos aceleradores modernos: ubicación, estructura y función.

El acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar iones. Estos funcionan con partículas cargadas que son aceleradas hasta velocidades próximas a la de la luz, mediante las colisiones de estas partículas de muy alta energía entre ellas o contra un blanco fijo.

Los científicos son capaces de extraer información de los más pequeños componentes de la materia. En esos choques, nuevas partículas son creadas, lo que proporciona valiosos datos para la Física de Partículas, ya que al crear energía y hacerlas colisionar con otras partículas se pueden encontrar nuevas partículas como las que crearon el Big Bang y también para comprender la materia oscura y las fuerzas de la naturaleza (gravitatoria, electromagnética).

Los aceleradores de partículas se pueden clasificar, por su forma (lineal o circular), su finalidad y el tipo de ases que producen. Un ejemplo de ello es la llamada 'Máquina de Dios', como se también se le llama al Gran Colisionador de Hadrones (LHC), tiene también por finalidad la de desentrañar los enigmas del origen del Universo, es decir, cómo fue que se creó la materia y qué pasó con la antimateria en el momento del Big Bang. Este es considerado el experimento científico más ambicioso de la historia, porque el LHC intentaráidentificar con total certeza los enigmas fundamentales con que se construyeron las estrellas, los planetas y hasta los seres humanos.

Estos aceleradores de partículas son utilizados ahora tanto para fines científicos, como para aplicaciones industriales o médicas. Pero en la actualidad lo más importante es seguir estudiando los aceleradores de partículas de todo el mundo paras dar a conocer y entender con aciertos científicos el origen del universo.

Desarrollo

Los aceleradores de partículas son instrumentos que emplean campos eléctricos para acelerar partículas estables (protones, electrones, iones pesados) a alta energía.

Los aceleradores de partículas han permitido el conocimiento de las partículas constituyentes elementales de la materia, por el considerable aumento de la energía de las colisiones.

Los parámetros más importantes de un acelerador son

• la energía
• la intensidad
• el ciclo de ocupación (fracción de tiempo en que un acelerador envía partículas a un experimento
• estructura temporal de la intensidad

La importancia de los aceleradores, es que una vez aceleradas las partículas pueden ir dirigidas contra blancos materiales para estudiar reacciones entre partículas o núcleos.

PARTES DE UN ACELERADOR DE PARTÍCULAS

• Fuente de iones: es la parte que alimenta de partículas a un acelerador. En un filamento incandescente se extraen los electrones, en una fuente de radiofrecuencia que actúa sobre las moléculas de hidrógeno se extraen los protones y también existen fuentes de las que se extraen casi todos los iones de la tabla periódica.

• Óptica: es el conjunto de elementos eléctricos ymagnéticos que conducen las partículas aceleradas por la trayectoria ideal del acelerador. Los más frecuentes son los imanes bipolares, utilizados para curvarlas partículas en trayectorias circulares y los imanes cuadrupolares que sirven para focalizar.

• Vació: consiste en un tubo vació por el que viajan las partículas sin encontrar materia que las dispersaría y frenaría, pues el haz de partículas debe recorrer un largo trayecto antes de ser extraído del acelerador.

• Sistema de aceleración: son los dispositivos en donde se transfiere energía a las partículas cargadas, aumentando su velocidad en cada paso por el sistema.

LOS ACELERADORES DE PARTICULAS SE PUEDEN CLASIFICAR EN

• Aceleradores de baja energía: consiste en una serie de campos electromagnéticos que inducen una aceleración constante a las partículas. Utilizados en televisores, monitores de ordenador o en aparatos de rayos X.

• Aceleradores de alta energía: se usan para imprimir grandes velocidades, muchas veces cercanas a las de la luz, a partículas más pesadas por lo general protones, núcleos de deuterio, tritio o helio. Son utilizados para explorar los núcleos atómicos, lo que permite a los científicos investigar sobre la estructura y el comportamiento de los átomos.

• Aceleradores lineales: Los aceleradores lineales de altas energías emplean un conjunto de placas o tubos situados en línea a los cuales se les aplica un campo eléctrico alterno. Produciendo una aceleración de las partículas cuando estas se aproximan a una placa, debido a una aplicación de una polaridad opuesta a la suya. Cuando las partículas traspasan la placa a través de un agujero la polaridad seinvierte de forma que la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente placa. Generalmente se acelera un continuo de haces de partículas, de forma que se aplica a cada placa un potencial alterno cuidadosamente controlado de forma que se repita de forma continua el proceso para cada haz.

El acelerador lineal más largo del mundo es el colisionador electrón-positrón Stanford Linear A ccelerator (SLAC), de 3 km de longitud.

• Aceleradores circulares: Combinan campos magnéticos con los eléctricos, pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos. Además las partículas pueden permanecer en determinadas configuraciones de forma indefinida.

Sin embargo poseen un límite a la energía que puede alcanzarse debido a la radiación sincrotrón que emiten las partículas cargadas al ser aceleradas, al emitir esta radiación se produce una pérdida de energía, que es mayor cuanto más grande es la aceleración impartida a la partícula

Cuando la partícula a sigue una trayectoria circular se acelera la partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una velocidad máxima.

Algunos aceleradores poseen instalaciones especiales que aprovechan la radiación que se genera en el proceso, como por ejemplo fuentes de Rayos X de alta energía. Esta radiación es mayor cuando las partículas son más ligeras, por lo que se utilizan generalmente electrones si se pretende adquirir mayor radiación, sin embargo, normalmente se aceleran partículas pesadas, protones o núcleos ionizados más pesados, que hacen que estosaceleradores puedan alcanzar mayores energías.

sCÓMO FUNCIONA UN ACELERDOR DE PATICULAS?

1. Se produce la separación entre los protones y los electrones mediante el calentamiento de un metal o por una descarga eléctrica.

2. Los electrones separados pueden adquirir dirección por medio de campos eléctricos y magnéticos produciendo haces de partículas.

3. De este proceso se obtienen también protones

4. El haz de partículas es utilizado para producir aceleración donde los campos eléctricos atraen o repelen partículas cargadas, donde su sentido y dirección son controlados por imanes gigantes colocados a lo largo del acelerador.

5. Finalmente el haz de partículas colisiona con un blanco generando partículas de interés para las investigaciones.

6. El blanco de colisión puede ser fijo, cuando el haz de partículas luego de obtener una gran cantidad de energía choca con un blanco inmóvil, o blanco móvil, cuando se cruzan dos haces de partículas en sentido contrario.

APLICACIONES DE UN ACELERADOR DE PARTICULAS

až¢ En medicina es utilizado en radioterapia debido a sus radiaciones

až¢ Estudio de micro-capas y para la fabricación de circuitos integrados

až¢ Herramienta de análisis para la arqueología

až¢ Estudio de muestras de contaminación atmosférica

až¢ Su radiación es utilizada para preservar alimentos, esterilizar productos químicos, polimerizar plásticos, vulcanizar hules, etc.

VENTAJAS DE LOS ACELERADORES DE PARTICULAS

- Avances en la medicina; estudios estructurales y funcionales de nuevos fármacos, hormonas, enzimas y virus

- Avances en la medicina; estudios estructurales yfuncionales de nuevos fármacos, hormonas, enzimas y virus.

- Su radiación es utilizada para radioterapias preservar alimentos, esterilizar productos químicos entre otros.

- Mejoramiento en la producción de adhesivos, lubricantes.

- Se utiliza, en el estudio de en tecnología aereoespacial (semiconductores, superconductor es, y la variación de sus propiedades en función de presión y temperatura).

- Desarrollo de sensores y de dispositivos de almacenamiento.

- Mejora de los procesos de producción de polímeros y cerámicas.

- Desarrollo de chips, micromecánica, sensores médicos, estudios estructurales y funcionales de nuevos fármacos, etc.

DESVENTAJAS DE LOS ACELERADORES DE PARTICULAS

- Posible cataclismo

- Armamento moderno

- Creación de agujeros negros

- Desestabilización de los átomos

Laboratorios de física de partículas más importantes del mundo

aœ“ CERN (Ginebra, 1954)
aœ“ FERMILAB (Batavia, 1967)
aœ“ SLAC (California, 1962)

El CERN es el mayor laboratorio de investigación en física de partículas a nivel mundial, entre los aceleradores más importantes a su cargo están LHC y SPS.

LHC o Large Hadron Collider:

• Localizado en el CERN, cerca de ginebra Suiza
• Inicia su funcionamiento el 8 de Agosto de 2008
• Conocido como “La máquina de Dios”
• Utiliza el túnel del LEP el cual dejó de funcionar en el año 2000
• Es el acelerador de partícula más grande del mundo
• Está basado en la colisión de protones (un tipo de hadrón)
• Consiste en un conducto subterráneo con forma circular y una longitud total de casi 27 kilómetros, con cerca de 10.000 imanessuperconductores y una temperatura de funcionamiento de 271 grados bajo cero
• Permite acelerar haces de partículas provocando hasta 600 millones de colisiones por segundo que generan temperaturas 100.000 veces superiores a las del sol
• Su meta es encontrar la partícula másica conocida como el “bosón de Higgs” lo cual permitiría explicar cómo el resto de partículas elementales ganan la masa que explica la teoría de la relatividad especial.  

El LHC permite explicar los siguientes hechos

• La creación de un agujero negro inestable
• La creación de materia exótica supermasiva, de gran estabilidad.
• La creación de monopolos magnéticos que pudieran catalizar el decaimiento del protón
• La activación de la transición a un estado de vacío cuántico.

SPS o supersicrotón de protones:

• Comienza a funcionar el 17 de Julio de 1976 en el laboratorio CERN
• Posee 6,9 kilómetros de largo
• Basa su funcionamiento en el empleo de partículas de azufre, y núcleos de oxígeno, protones, electrones, positrones y antiprotones
• Permitió realizar investigaciones acerca de la antimateria, intentando explicar los primeros instantes del Universo, junto con la búsqueda de formas exóticas de materia
• Actualmente se le están realizando mejoras para aumentar su luminosidad hacia el año 2015

El Fermilab es el laboratorio en altas energías más grande de Estados Unidos y el segundo más grande en el mundo después del CERN. Entre sus aceleradores de partículas en funcionamiento está Tevatrón.

Tevatrón

• Acelerador de partículas circular, ubicado en Betavia
• Acelera protones y antiprotones en un anillo de 6.3 km de circunferencia hasta energías decasi 1 TeV.
• Inicia su funcionamiento en 1983 y es sometido regularmente a actualizaciones
• Permitió descubrir la partículas elementales quark cima y el neutrino tauónico
• Fue el primer acelerador en utilizar tecnología superconductora

El laboratorio BNL está ubicado en Nueva York, su acelerador de partículas más importante es RHIC.

RHIC o acelerador relativista de iones pesados:

• Comienza a funcionar en el año 2000, es un acelerador circular de 2,4 kilómetros de longitud
• Opera a una velocidad cercana a 4 billones de grados centígrados (la temperatura más alta alcanzada en un laboratorio), creada por las colisiones de iones de oro que viajan a una velocidad cercana a la de la luz
• Permite estudiar  la forma primordial de materia que existió en el Universo poco tiempo después del Big Bang, y también la estructura de los protones.
• Es el colisionador de iones pesados más potente del mundo
• Actualmente se está planeando actualizar RHIC aumentar su tasa de colisiones y su capacidad de detección

El SLAC es el departamento de energía del laboratorio nacional operado por la Universidad de Stanford en Estados Unidos, uno de sus aceleradores más importantes es SLC.

• Es el acelerador lineal más largo del mundo, es un colisionador electrón-positrón, de 3 km de longitud presente en Estados Unidos.

Conclusión

Este estudio de partículas, tanto inestables como estables, puede ser en un futuro, más bien más próximo que lejano, útil para la humanidad ya que con esto se desarrollará grandes aportes para diferentes ciencias y ellas pueden producir cambios para mejorar la calidad de vida de la población mundial en áreascomo: medicina, la exploración espacial, tecnología electrónica, etcétera.
Según estas investigaciones y sus experimentos podrán aportar grandes beneficios en diferentes áreas como
• Química: Análisis de diferentes elementos químicos para mejorar los procedimientos de producción de adhesivos, aislantes, lubricantes, preparación de superficies electroquímicas, etc.

• Ciencias de los materiales: Establecimiento de la estructura tridimensional de materiales no cristalinos. Se utiliza por ejemplo en el estudio de aleaciones especiales para su utilización en tecnología aeroespacial (semiconductores, superconductor es, y la variación de sus propiedades en función de presión y temperatura).

• Magnetismo: Desarrollo de censores y de dispositivos de almacenamiento.

• Biología: Estudio de cambios estructurales y funcionales en el ADN, proteínas y macromoléculas. Estudio de cambios estructurales y funcionales en hormonas, enzimas y virus.

• Cristalografía macromolecular: Esta es una de las áreas de mayor actividad. Como resultado del Proyecto Genoma Humano es posible cristalizar macromoléculas biológicas. La luz sincrotrón permite determinar la estructura atómica de muchas de estas macromoléculas.

• Industria: Mejora de los procesos de producción de polímeros y cerámicas. Desarrollo de chips, micromecánica, censores médicos, estudios estructurales y funcionales de nuevos fármacos, etc.

Tantos beneficios e investigaciones que aún no son cien por ciento seguras y estables, ya que existen pequeños rangos de probabilidades que estas pruebas puedan causar problemas y desastres a escalas según la cantidad de energía utilizada y liberada, y tal vez, recordandoun poco que para la ciencia aún no hay nada dicho y siempre ella nos tiene algo preparado, como romper toda regla. Quizás en el día de prueba final se sabrá realmente hasta donde se puede llegar.

Bibliografía

Física universitaria con física moderna: Volumen 2- Página 1674

Física de partículas y de astropartículas - Página 57,58

https://www.portalplanetasedna.com.ar/maquina_dios.htm

https://www.atlas.ch/photos/lhc.html

https://www.slideshare.net/soyunsuperalumno/el-acelerador-de-partculas-eric

https://hankel.blogspot.com/2005/04/aceleradores-de-partculas.html

https://www.cienciorama.unam.mx/index.jsp?pagina=materia&action=vrArticulo&aid=205

https://fisicamodernafiis2011.blogspot.com/2011/07/aceleradores-de-particulas.html

https://www.slideshare.net/manolo654321/acelerador-de-partculas-8369144

https://www.espacioprofundo.com.ar/verarticulo/Aceleradores_y_Colisionadores_de_Particulas.html

https://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/ateneo/dossier/particulas/cdti/lab.pdf

https://es.wikipedia.org/wiki/LEP

https://es.wikipedia.org/wiki/LHC

https://www.laflecha.net/foros/topic/gran-colisionadro-de-hadrones-en-busca-de-la-celula-de-dios

https://fisica.laguia2000.com/dinamica-clasica/dinamica-de-una-particula/como-funciona-un-acelerador-de-particulas

Colegio de Humanidades
Villarrica

“Aceleradores de partículas modernas”

Integrantes:

• Alejandra Manríquez

• Alejandro Moreno

• María Jesús Vergara.

Curso: 4s A

Profesor: Doris Risopatrón