Un accelerador de partícules és un dispositiu que crea un feix de partícules atòmiques o subatòmiques carregades elèctricament que es mouen a velocitats properes a la llum. El seu treball es basa en un augment de la seva energia per un camp elèctric i un canvi en la trajectòria -per un magnètic.
Per a què serveixen els acceleradors de partícules?
Aquests dispositius s'utilitzen àmpliament en diversos camps de la ciència i la indústria. Avui, n'hi ha més de 30 mil a tot el món. Per a un físic, els acceleradors de partícules serveixen com a eina per a la investigació fonamental sobre l'estructura dels àtoms, la naturalesa de les forces nuclears i les propietats dels nuclis que no es donen a la natura. Aquests últims inclouen transurani i altres elements inestables.
Amb l'ajuda d'un tub de descàrrega, va ser possible determinar la càrrega específica. Els acceleradors de partícules també s'utilitzen en la producció de radioisòtops, en radiografia industrial, en radioteràpia, en l'esterilització de materials biològics i en radiocarboni.anàlisi. Les instal·lacions més grans s'utilitzen en l'estudi de les interaccions fonamentals.
La vida útil de les partícules carregades en repòs en relació amb l'accelerador és menor que la de les partícules accelerades a velocitats properes a la velocitat de la llum. Això confirma la relativitat dels intervals de temps SRT. Per exemple, al CERN, es va aconseguir un augment de 29 vegades en la vida útil dels muons a una velocitat de 0,9994c.
Aquest article tracta sobre com funciona un accelerador de partícules, el seu desenvolupament, diferents tipus i característiques distintives.
Principis de l'acceleració
Independentment dels acceleradors de partícules que coneixeu, tots tenen elements comuns. En primer lloc, tots han de tenir una font d'electrons en el cas d'un cinescopi de televisió, o electrons, protons i les seves antipartícules en el cas d'instal·lacions més grans. A més, tots han de tenir camps elèctrics per accelerar les partícules i camps magnètics per controlar-ne la trajectòria. A més, el buit a l'accelerador de partícules (10-11 mm Hg), és a dir, la quantitat mínima d'aire residual, és necessari per garantir una llarga vida útil dels feixos. I, finalment, totes les instal·lacions han de disposar de mitjans per registrar, comptar i mesurar partícules accelerades.
Generation
Els electrons i protons, que s'utilitzen més habitualment en acceleradors, es troben en tots els materials, però primer cal aïllar-los. Normalment es generen electronsigual que en un cinescopi, en un dispositiu anomenat "pistola". És un càtode (elèctrode negatiu) al buit, que s'escalfa fins al punt que els electrons comencen a separar-se dels àtoms. Les partícules carregades negativament són atretes per l'ànode (elèctrode positiu) i passen per la sortida. La pistola en si és també l'accelerador més senzill, ja que els electrons es mouen sota la influència d'un camp elèctric. La tensió entre el càtode i l'ànode sol estar entre 50 i 150 kV.
A més dels electrons, tots els materials contenen protons, però només els nuclis dels àtoms d'hidrogen estan formats per protons únics. Per tant, la font de partícules dels acceleradors de protons és l'hidrogen gasós. En aquest cas, el gas s'ionitza i els protons s'escapen pel forat. En els grans acceleradors, els protons es produeixen sovint com a ions d'hidrogen negatius. Són àtoms amb un electró addicional, que són el producte de la ionització d'un gas diatòmic. És més fàcil treballar amb ions d'hidrogen carregats negativament en les etapes inicials. Després es fan passar per una làmina fina que els priva d'electrons abans de l'etapa final d'acceleració.
Acceleració
Com funcionen els acceleradors de partícules? La característica clau de qualsevol d'ells és el camp elèctric. L'exemple més senzill és un camp estàtic uniforme entre potencials elèctrics positius i negatius, similar al que existeix entre els terminals d'una bateria elèctrica. De talcamp, un electró que porta una càrrega negativa està sotmès a una força que el dirigeix cap a un potencial positiu. Ella l'accelera, i si no hi ha res que ho impedeixi, la seva velocitat i energia augmenten. Els electrons que es mouen cap a un potencial positiu en un cable o fins i tot en l'aire xoquen amb els àtoms i perden energia, però si estan en el buit, s'acceleren a mesura que s'acosten a l'ànode.
La tensió entre la posició inicial i la final d'un electró determina l'energia adquirida per aquest. Quan es mou per una diferència de potencial d'1 V, és igual a 1 electró volt (eV). Això equival a 1,6 × 10-19 joules. L'energia d'un mosquit volador és un bilió de vegades més gran. En un cinescopi, els electrons són accelerats per una tensió superior a 10 kV. Molts acceleradors aconsegueixen energies molt més altes, mesurades en mega, giga i teraelectronvolts.
Varietats
Alguns dels primers tipus d'acceleradors de partícules, com ara el multiplicador de tensió i el generador Van de Graaff, utilitzaven camps elèctrics constants generats per potencials de fins a un milió de volts. No és fàcil treballar amb tensions tan altes. Una alternativa més pràctica és l'acció repetitiva de camps elèctrics febles generats per potencials baixos. Aquest principi s'utilitza en dos tipus d'acceleradors moderns: lineals i cíclics (principalment en ciclotrons i sincrotrons). Els acceleradors de partícules lineals, en resum, els fan passar una vegada per una seqüènciacamps acceleradors, mentre que en el cíclic es mouen repetidament per un camí circular a través de camps elèctrics relativament petits. En ambdós casos, l'energia final de les partícules depèn de l'efecte combinat dels camps, de manera que molts "xocs" petits se sumen per donar l'efecte combinat d'un de gran.
L'estructura repetida d'un accelerador lineal per crear camps elèctrics implica naturalment l'ús de voltatge CA en lloc de CC. Les partícules carregades positivament s'acceleren cap al potencial negatiu i reben un nou impuls si passen pel positiu. A la pràctica, la tensió hauria de canviar molt ràpidament. Per exemple, a una energia d'1 MeV, un protó viatja a velocitats molt elevades de 0,46 la velocitat de la llum, viatjant 1,4 m en 0,01 ms. Això significa que en un patró repetitiu de diversos metres de llarg, els camps elèctrics han de canviar de direcció a una freqüència d'almenys 100 MHz. Els acceleradors lineals i cíclics de partícules carregades, per regla general, les acceleren mitjançant camps elèctrics alterns amb una freqüència de 100 a 3000 MHz, és a dir, que van des d'ones de ràdio fins a microones.
Una ona electromagnètica és una combinació de camps elèctrics i magnètics alterns que oscil·len perpendicularment entre si. El punt clau de l'accelerador és ajustar l'ona de manera que quan arriba la partícula, el camp elèctric es dirigeixi d'acord amb el vector acceleració. Això es pot fer amb una ona estacionària: una combinació d'ones que viatgen en direccions oposades en un bucle tancat.l'espai, com les ones sonores en un tub d'orgue. Una alternativa per als electrons en moviment molt ràpid que s'acosten a la velocitat de la llum és una ona que es desplaça.
Autophasing
Un efecte important quan s'accelera en un camp elèctric altern és "la fase automàtica". En un cicle d'oscil·lació, el camp altern passa de zero a través d'un valor màxim de nou fins a zero, cau al mínim i puja a zero. Així que passa pel valor necessari per accelerar dues vegades. Si la partícula acceleradora arriba massa aviat, no es veurà afectada per un camp de força suficient i l'empenta serà feble. Quan arribi a la següent secció, arribarà tard i experimentarà un impacte més fort. Com a resultat, es produirà l'autofase, les partícules estaran en fase amb el camp a cada regió acceleradora. Un altre efecte seria agrupar-los al llarg del temps en grups en lloc d'un flux continu.
Direcció del feix
Els camps magnètics també tenen un paper important en el funcionament d'un accelerador de partícules carregades, ja que poden canviar la direcció del seu moviment. Això vol dir que es poden utilitzar per "doblar" les bigues al llarg d'un camí circular de manera que passin per la mateixa secció d'acceleració diverses vegades. En el cas més simple, una partícula carregada que es mou en angle recte amb la direcció d'un camp magnètic uniforme està sotmesa a una forçaperpendicular tant al vector del seu desplaçament com al camp. Això fa que el feix es mogui al llarg d'una trajectòria circular perpendicular al camp fins que abandona la seva àrea d'acció o una altra força comença a actuar sobre ell. Aquest efecte s'utilitza en acceleradors cíclics com el ciclotró i el sincrotró. En un ciclotró, un imant gran genera un camp constant. Les partícules, a mesura que creix la seva energia, es desplacen en espiral cap a l'exterior, accelerant-se amb cada revolució. En un sincrotró, els raïms es mouen al voltant d'un anell amb un radi constant i el camp creat pels electroimants al voltant de l'anell augmenta a mesura que les partícules s'acceleren. Els imants de "flexió" són dipols amb els pols nord i sud doblegats en forma de ferradura perquè el feix pugui passar entre ells.
La segona funció important dels electroimants és concentrar els feixos perquè siguin el més estrets i intensos possibles. La forma més senzilla d'un imant d'enfocament és amb quatre pols (dos al nord i dos al sud) l'un oposat a l' altre. Empenyen les partícules cap al centre en una direcció, però els permeten propagar-se en la direcció perpendicular. Els imants quadrupols enfocan el feix horitzontalment, permetent-lo desenfocar verticalment. Per fer-ho, s'han d'utilitzar per parelles. També s'utilitzen imants més complexos amb més pols (6 i 8) per a un enfocament més precís.
A mesura que augmenta l'energia de les partícules, augmenta la força del camp magnètic que les guia. Això manté el feix en el mateix camí. El coàgul s'introdueix a l'anell i s'acceleraenergia necessària abans de poder ser retirada i utilitzada en experiments. La retracció s'aconsegueix mitjançant electroimants que s'encenen per expulsar les partícules de l'anell de sincrotró.
Col·lisió
Els acceleradors de partícules utilitzats en medicina i indústria produeixen principalment un feix per a un propòsit específic, com ara la radioteràpia o la implantació d'ions. Això vol dir que les partícules s'utilitzen una vegada. Durant molts anys, el mateix va passar amb els acceleradors utilitzats en la investigació bàsica. Però a la dècada de 1970 es van desenvolupar anells en què les dues bigues circulen en direccions oposades i xoquen al llarg de tot el circuit. El principal avantatge d'aquestes instal·lacions és que en una col·lisió frontal, l'energia de les partícules entra directament a l'energia d'interacció entre elles. Això contrasta amb el que passa quan el feix xoca amb el material en repòs: en aquest cas, la major part de l'energia es gasta en posar el material objectiu en moviment, d'acord amb el principi de conservació de la quantitat de moviment.
Algunes màquines de feix de col·lisió es construeixen amb dos anells que es tallen en dos o més llocs, en els quals circulen partícules del mateix tipus en direccions oposades. Els colisionadors amb partícules i antipartícules són més freqüents. Una antipartícula té la càrrega oposada a la partícula associada. Per exemple, un positró està carregat positivament, mentre que un electró està carregat negativament. Això vol dir que el camp que accelera l'electró frena el positró,movent-se en la mateixa direcció. Però si aquest últim es mou en sentit contrari, s'accelerarà. De la mateixa manera, un electró que es mou a través d'un camp magnètic es doblegarà cap a l'esquerra i un positró es doblegarà cap a la dreta. Però si el positró es mou cap a ell, el seu camí encara es desviarà cap a la dreta, però al llarg de la mateixa corba que l'electró. En conjunt, això significa que aquestes partícules es poden moure al llarg de l'anell de sincrotró a causa dels mateixos imants i ser accelerades pels mateixos camps elèctrics en direccions oposades. Molts dels col·lisionadors més potents dels feixos que xoquen s'han creat d'acord amb aquest principi, ja que només cal un anell accelerador.
El feix del sincrotró no es mou contínuament, sinó que es combina en "grups". Poden fer diversos centímetres de llarg i una dècima de mil·límetre de diàmetre i contenir unes 1012 partícules. Aquesta és una densitat petita, ja que una substància d'aquesta mida conté uns 1023 àtoms. Per tant, quan els feixos es tallen amb els que s'acosten, només hi ha una petita possibilitat que les partícules interaccionin entre elles. A la pràctica, els raïms continuen movent-se per l'anella i es tornen a trobar. El buit profund a l'accelerador de partícules (10-11 mmHg) és necessari perquè les partícules puguin circular durant moltes hores sense xocar amb molècules d'aire. Per tant, els anells també s'anomenen acumulatius, ja que els paquets s'emmagatzemen en ells durant diverses hores.
Registre
La majoria dels acceleradors de partícules poden registrar què passa quanquan les partícules toquen un objectiu o un altre feix que es mou en la direcció oposada. En un cinescopi de televisió, els electrons d'una pistola impacten amb un fòsfor a la superfície interior de la pantalla i emeten llum, que recrea així la imatge transmesa. En els acceleradors, aquests detectors especialitzats responen a partícules disperses, però normalment estan dissenyats per generar senyals elèctrics que es poden convertir en dades d'ordinador i analitzar-los mitjançant programes informàtics. Només els elements carregats creen senyals elèctrics passant per un material, per exemple mitjançant àtoms excitants o ionitzants, i es poden detectar directament. Les partícules neutres com els neutrons o els fotons es poden detectar indirectament mitjançant el comportament de les partícules carregades que posen en moviment.
Hi ha molts detectors especialitzats. Alguns d'ells, com el comptador Geiger, simplement compten partícules, mentre que d' altres s'utilitzen, per exemple, per registrar pistes, mesurar la velocitat o mesurar la quantitat d'energia. Els detectors moderns varien en mida i tecnologia, des de petits dispositius acoblats amb càrrega fins a grans cambres plenes de gas plenes de filferro que detecten els rastres ionitzats creats per partícules carregades.
Història
Els acceleradors de partícules es van desenvolupar principalment per estudiar les propietats dels nuclis atòmics i les partícules elementals. Des del descobriment de la reacció entre el nucli de nitrogen i la partícula alfa pel físic britànic Ernest Rutherford el 1919, totes les investigacions en física nuclear fins aEl 1932 es va passar amb nuclis d'heli alliberats de la desintegració d'elements radioactius naturals. Les partícules alfa naturals tenen una energia cinètica de 8 MeV, però Rutherford creia que per observar la desintegració dels nuclis pesats, s'havien d'accelerar artificialment fins a valors encara més grans. En aquell moment semblava difícil. No obstant això, un càlcul fet l'any 1928 per Georgy Gamow (a la Universitat de Göttingen, Alemanya) va demostrar que es podrien utilitzar ions amb energies molt inferiors, i això va estimular els intents de construir una instal·lació que proporcionés un feix suficient per a la investigació nuclear..
Altres esdeveniments d'aquest període van demostrar els principis pels quals es construeixen els acceleradors de partícules fins avui. Els primers experiments amb èxit amb ions accelerats artificialment els van dur a terme Cockcroft i W alton el 1932 a la Universitat de Cambridge. Utilitzant un multiplicador de tensió, van accelerar els protons fins a 710 keV i van demostrar que aquests últims reaccionen amb el nucli de liti per formar dues partícules alfa. El 1931, a la Universitat de Princeton a Nova Jersey, Robert van de Graaff havia construït el primer generador electrostàtic de cinturó d' alt potencial. Els multiplicadors de tensió Cockcroft-W alton i els generadors Van de Graaff encara es fan servir com a fonts d'energia per als acceleradors.
El principi d'un accelerador de ressonància lineal va ser demostrat per Rolf Wideröe l'any 1928. A la Universitat de Tecnologia de Rin-Westfàlia d'Aquisgrà, Alemanya, va utilitzar un alt voltatge altern per accelerar els ions de sodi i potassi a energies dues vegades.superant les informades per ells. El 1931 als Estats Units, Ernest Lawrence i el seu assistent David Sloan de la Universitat de Califòrnia, Berkeley van utilitzar camps d' alta freqüència per accelerar els ions de mercuri a energies superiors a 1,2 MeV. Aquest treball va complementar l'accelerador de partícules pesades Wideröe, però els feixos d'ions no van ser útils en la investigació nuclear.
L'accelerador de ressonància magnètica, o ciclotró, va ser concebut per Lawrence com una modificació de la instal·lació de Wideröe. L'alumne de Lawrence Livingston va demostrar el principi del ciclotró l'any 1931 produint ions de 80 keV. El 1932 Lawrence i Livingston van anunciar l'acceleració dels protons a més d'1 MeV. Més tard, a la dècada de 1930, l'energia dels ciclotrons va arribar als 25 MeV, i la dels generadors Van de Graaff va arribar als 4 MeV. El 1940, Donald Kerst, aplicant els resultats d'uns càlculs orbitals acurats al disseny d'imants, va construir el primer betatron, un accelerador d'electrons d'inducció magnètica, a la Universitat d'Illinois.
Física moderna: acceleradors de partícules
Després de la Segona Guerra Mundial, la ciència d'accelerar partícules a altes energies va progressar ràpidament. Va ser iniciat per Edwin Macmillan a Berkeley i Vladimir Veksler a Moscou. El 1945, tots dos van descriure de manera independent el principi d'estabilitat de fase. Aquest concepte ofereix un mitjà per mantenir òrbites de partícules estables en un accelerador cíclic, que va eliminar la limitació de l'energia dels protons i va permetre crear acceleradors de ressonància magnètica (sincrotrons) per als electrons. L'autophasing, la implementació del principi d'estabilitat de fase, s'ha confirmat després de la construccióun petit sincrociclotró a la Universitat de Califòrnia i un sincrotró a Anglaterra. Poc després, es va crear el primer accelerador de ressonància lineal de protons. Aquest principi s'ha utilitzat en tots els grans sincrotrons de protons construïts des de llavors.
L'any 1947, William Hansen, a la Universitat de Stanford a Califòrnia, va construir el primer accelerador d'electrons d'ona viatjant lineal amb tecnologia de microones que es va desenvolupar per a radar durant la Segona Guerra Mundial.
El progrés en la investigació va ser possible gràcies a l'augment de l'energia dels protons, fet que va portar a la construcció d'acceleradors cada cop més grans. Aquesta tendència s'ha aturat per l' alt cost de fabricar imants d'anell enormes. El més gran pesa unes 40.000 tones. Livingston, Courant i Snyder van demostrar l'any 1952 maneres d'augmentar l'energia sense augmentar la mida de les màquines en la tècnica de l'enfocament alternat (de vegades anomenat enfocament fort). Els sincrotrons basats en aquest principi utilitzen imants 100 vegades més petits que abans. Aquest enfocament s'utilitza en tots els sincrotrons moderns.
El 1956, Kerst es va adonar que si es mantenien dos conjunts de partícules en òrbites que s'intersecaven, es podrien observar xocant. L'aplicació d'aquesta idea va requerir l'acumulació de feixos accelerats en cicles anomenats emmagatzematge. Aquesta tecnologia va permetre aconseguir la màxima energia d'interacció de partícules.
