¿Cuál es la diferencia entre un sincrotrón y un ciclotrón, de todos modos?
Symmetry Magazine
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Jill Preston
Por Signe Brewster, para Symmetry Magazine Julio 12 de 2016
La investigación en física de alta energía adopta muchas formas. Pero la mayoría de los experimentos en el campo se basan en aceleradores que crean y aceleran partículas bajo demanda.
Lo que sigue es una introducción a tres tipos diferentes de aceleradores de partículas: sincrotrones, ciclotrones y aceleradores lineales, llamados linacs.
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Jill Preston
Sincrotrones: los pesados levantadores
Los sincrotrones son los aceleradores de partículas de mayor energía del mundo. El Gran Colisionador de Hadrones actualmente encabeza la lista, con la capacidad de acelerar partículas a una energía de 6.5 billones de electronvoltios antes de colisionarlas con partículas de igual energía que viajan en la dirección opuesta.
Los sincrotrones suelen tener una vía cerrada que lleva partículas alrededor de un anillo. Se crean otras variantes con secciones rectas entre las curvas (similar a una pista de carreras o en forma de triángulo o hexágono). Una vez que las partículas entran en el acelerador, viajan alrededor de la ruta circular una y otra vez, siempre encerradas en una tubería de vacío.
Las cavidades de radiofrecuencia a intervalos alrededor del anillo aumentan su velocidad. Varios tipos diferentes de imanes crean campos electromagnéticos, que se pueden usar para doblar y enfocar los haces de partículas. Los campos electromagnéticos se acumulan lentamente a medida que las partículas se aceleran. Las partículas pasan alrededor del LHC unas 14 millones de veces en los 20 minutos que necesitan para alcanzar el nivel de energía deseado.
Los investigadores envían haces de partículas aceleradas entre sí para crear colisiones en lugares rodeados por detectores de partículas. Relativamente pocas colisiones ocurren cada vez que los rayos se encuentran. Pero debido a que las partículas están circulando constantemente en un sincrotrón, los investigadores pueden pasarlas unas sobre otras muchas veces, creando un gran número de colisiones a lo largo del tiempo y más datos para observar fenómenos raros.
"Los detectores LHC ATLAS y CMS alcanzaron alrededor de 400 millones de colisiones por segundo el año pasado", dijo Mike Lamont, jefe de operaciones de LHC en CERN. "Esta es la razón por la cual este diseño es tan útil".
La potencia de los Sincrotrones los hace especialmente adecuados para estudiar los componentes básicos de nuestro universo. Por ejemplo, los físicos pudieron presenciar evidencia del bosón de Higgs entre las colisiones del LHC solo porque el colisionador podría acelerar las partículas a una energía tan alta y producir tasas de colisión tan altas.
El LHC principalmente colisiona protones con protones pero también puede acelerar núcleos pesados como el plomo. Otros sincrotrones también se pueden personalizar para acelerar diferentes tipos de partículas. En Brookhaven National Laboratory en Nueva York, el Relativistic Heavy Ion Collider puede acelerar todo, desde protones hasta núcleos de uranio. Mantiene los haces de protones polarizados con el uso de imanes especialmente diseñados, de acuerdo con la física del acelerador RHIC Angelika Drees. También puede colisionar iones pesados como el uranio y el oro para crear plasma de quark-gluón, la sopa de alta temperatura que formaba el universo justo después del Big Bang.
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Jill Preston
Ciclotrones: los caballos de batalla
Los sincrotrones son descendientes de otro tipo de colisionador circular llamado ciclotrones. Los ciclotrones aceleran las partículas en un patrón en espiral, comenzando en su centro.
Al igual que los sincrotrones, los ciclotrones usan un gran electroimán para doblar las partículas en un círculo. Sin embargo, usan solo un imán, lo que limita su tamaño. Usan electrodos metálicos para empujar las partículas a viajar en círculos cada vez más grandes, creando una vía espiral.
Los ciclotrones a menudo se usan para crear grandes cantidades de tipos específicos de partículas, como muones o neutrones. También son populares para la investigación médica porque tienen el rango e intensidad de energía adecuados para producir isótopos médicos.
El ciclotrón más grande del mundo se encuentra en el laboratorio TRIUMF en Vancouver, Canadá. En el ciclotrón TRIUMF, los físicos aceleran regularmente las partículas a 520 millones de electronvoltios. Pueden extraer partículas de diferentes partes de su acelerador para experimentos que requieren partículas a diferentes energías. Esto lo convierte en un tipo de acelerador especialmente adaptable, dice el físico Ewart Blackmore, quien ayudó a diseñar y construir el acelerador TRIUMF.
"Ciertamente hacemos uso de esa instalación todos los días cuando estamos corriendo, cuando normalmente estamos produciendo un haz de baja energía pero de alta corriente para la producción de isótopos médicos", dijo Blackmore. "Estamos extrayendo a energías fijas en un haz para producir piones y muones para la investigación, y en otra línea de haz estamos extrayendo haces de núcleos radiactivos para estudiar sus propiedades".
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Linacs: directo y al grano
Para los experimentos de física o aplicaciones que requieren un haz de partículas constante e intenso, los aceleradores lineales son un diseño favorecido. El laboratorio SLAC National Accelerator alberga el linac más largo del mundo, que mide 2 millas de largo y en un punto podría acelerar partículas de hasta 50 mil millones de electronvoltios. Fermi National Accelerator Laboratory utiliza un linac más corto para acelerar los protones antes de enviarlos a un acelerador diferente, con el tiempo las partículas se convierten en un objetivo fijo para crear el haz de neutrinos más intenso del mundo.
Mientras que los aceleradores circulares pueden requerir muchas vueltas para acelerar las partículas a la energía deseada, los linacs obtienen las partículas a la velocidad en poco tiempo. Las partículas comienzan en un extremo a baja energía y los campos electromagnéticos en el linac los aceleran a lo largo de su longitud. Cuando las partículas viajan en una trayectoria curva, liberan energía en forma de radiación. Viajar en línea recta significa guardar su energía para sí mismos. Una serie de cavidades de radiofrecuencia en el linac de SLAC se utilizan para empujar las partículas en la cresta de las ondas electromagnéticas, lo que las hace acelerar hacia adelante a lo largo del acelerador.
Al igual que los ciclotrones, los linacs se pueden usar para producir isótopos médicos. También se pueden usar para crear haces de radiación para el tratamiento del cáncer. Los linacs de electrones para la terapia del cáncer son el tipo más común de acelerador de partículas.
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Por Signe Brewster, para Symmetry Magazine Julio 12 de 2016
La investigación en física de alta energía adopta muchas formas. Pero la mayoría de los experimentos en el campo se basan en aceleradores que crean y aceleran partículas bajo demanda.
Lo que sigue es una introducción a tres tipos diferentes de aceleradores de partículas: sincrotrones, ciclotrones y aceleradores lineales, llamados linacs.
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Sincrotrones: los pesados levantadores
Los sincrotrones son los aceleradores de partículas de mayor energía del mundo. El Gran Colisionador de Hadrones actualmente encabeza la lista, con la capacidad de acelerar partículas a una energía de 6.5 billones de electronvoltios antes de colisionarlas con partículas de igual energía que viajan en la dirección opuesta.
Los sincrotrones suelen tener una vía cerrada que lleva partículas alrededor de un anillo. Se crean otras variantes con secciones rectas entre las curvas (similar a una pista de carreras o en forma de triángulo o hexágono). Una vez que las partículas entran en el acelerador, viajan alrededor de la ruta circular una y otra vez, siempre encerradas en una tubería de vacío.
Las cavidades de radiofrecuencia a intervalos alrededor del anillo aumentan su velocidad. Varios tipos diferentes de imanes crean campos electromagnéticos, que se pueden usar para doblar y enfocar los haces de partículas. Los campos electromagnéticos se acumulan lentamente a medida que las partículas se aceleran. Las partículas pasan alrededor del LHC unas 14 millones de veces en los 20 minutos que necesitan para alcanzar el nivel de energía deseado.
Los investigadores envían haces de partículas aceleradas entre sí para crear colisiones en lugares rodeados por detectores de partículas. Relativamente pocas colisiones ocurren cada vez que los rayos se encuentran. Pero debido a que las partículas están circulando constantemente en un sincrotrón, los investigadores pueden pasarlas unas sobre otras muchas veces, creando un gran número de colisiones a lo largo del tiempo y más datos para observar fenómenos raros.
"Los detectores LHC ATLAS y CMS alcanzaron alrededor de 400 millones de colisiones por segundo el año pasado", dijo Mike Lamont, jefe de operaciones de LHC en CERN. "Esta es la razón por la cual este diseño es tan útil".
La potencia de los Sincrotrones los hace especialmente adecuados para estudiar los componentes básicos de nuestro universo. Por ejemplo, los físicos pudieron presenciar evidencia del bosón de Higgs entre las colisiones del LHC solo porque el colisionador podría acelerar las partículas a una energía tan alta y producir tasas de colisión tan altas.
El LHC principalmente colisiona protones con protones pero también puede acelerar núcleos pesados como el plomo. Otros sincrotrones también se pueden personalizar para acelerar diferentes tipos de partículas. En Brookhaven National Laboratory en Nueva York, el Relativistic Heavy Ion Collider puede acelerar todo, desde protones hasta núcleos de uranio. Mantiene los haces de protones polarizados con el uso de imanes especialmente diseñados, de acuerdo con la física del acelerador RHIC Angelika Drees. También puede colisionar iones pesados como el uranio y el oro para crear plasma de quark-gluón, la sopa de alta temperatura que formaba el universo justo después del Big Bang.
Artwork by Sandbox Studio, Chicago with Jill Preston
Ciclotrones: los caballos de batalla
Los sincrotrones son descendientes de otro tipo de colisionador circular llamado ciclotrones. Los ciclotrones aceleran las partículas en un patrón en espiral, comenzando en su centro.
Al igual que los sincrotrones, los ciclotrones usan un gran electroimán para doblar las partículas en un círculo. Sin embargo, usan solo un imán, lo que limita su tamaño. Usan electrodos metálicos para empujar las partículas a viajar en círculos cada vez más grandes, creando una vía espiral.
Los ciclotrones a menudo se usan para crear grandes cantidades de tipos específicos de partículas, como muones o neutrones. También son populares para la investigación médica porque tienen el rango e intensidad de energía adecuados para producir isótopos médicos.
El ciclotrón más grande del mundo se encuentra en el laboratorio TRIUMF en Vancouver, Canadá. En el ciclotrón TRIUMF, los físicos aceleran regularmente las partículas a 520 millones de electronvoltios. Pueden extraer partículas de diferentes partes de su acelerador para experimentos que requieren partículas a diferentes energías. Esto lo convierte en un tipo de acelerador especialmente adaptable, dice el físico Ewart Blackmore, quien ayudó a diseñar y construir el acelerador TRIUMF.
"Ciertamente hacemos uso de esa instalación todos los días cuando estamos corriendo, cuando normalmente estamos produciendo un haz de baja energía pero de alta corriente para la producción de isótopos médicos", dijo Blackmore. "Estamos extrayendo a energías fijas en un haz para producir piones y muones para la investigación, y en otra línea de haz estamos extrayendo haces de núcleos radiactivos para estudiar sus propiedades".
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Linacs: directo y al grano
Para los experimentos de física o aplicaciones que requieren un haz de partículas constante e intenso, los aceleradores lineales son un diseño favorecido. El laboratorio SLAC National Accelerator alberga el linac más largo del mundo, que mide 2 millas de largo y en un punto podría acelerar partículas de hasta 50 mil millones de electronvoltios. Fermi National Accelerator Laboratory utiliza un linac más corto para acelerar los protones antes de enviarlos a un acelerador diferente, con el tiempo las partículas se convierten en un objetivo fijo para crear el haz de neutrinos más intenso del mundo.
Mientras que los aceleradores circulares pueden requerir muchas vueltas para acelerar las partículas a la energía deseada, los linacs obtienen las partículas a la velocidad en poco tiempo. Las partículas comienzan en un extremo a baja energía y los campos electromagnéticos en el linac los aceleran a lo largo de su longitud. Cuando las partículas viajan en una trayectoria curva, liberan energía en forma de radiación. Viajar en línea recta significa guardar su energía para sí mismos. Una serie de cavidades de radiofrecuencia en el linac de SLAC se utilizan para empujar las partículas en la cresta de las ondas electromagnéticas, lo que las hace acelerar hacia adelante a lo largo del acelerador.
Al igual que los ciclotrones, los linacs se pueden usar para producir isótopos médicos. También se pueden usar para crear haces de radiación para el tratamiento del cáncer. Los linacs de electrones para la terapia del cáncer son el tipo más común de acelerador de partículas.
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