Acelerador de Partículas

Achegándonos ao LHC

Os aceleradores funcionan con partículas cargadas que son aceleradas ata velocidades próximas á da luz. Mediante a colisión destas partículas de moi alta enerxía entre elas ou contra un branco fixo, os científicos son quen de extraer información dos máis pequenos compoñentes da materia. Neses choques, novas partículas son creadas, o que proporciona valiosos datos para a Física de Partículas. En certo sentido, os aceleradores de partículas son os "super microscopios" de hoxe.

Un tubo de raios catódicos (TRC) dun televisor tradicional é unha forma simple de de partículas (electróns).


Hai dous tipos básicos de aceleradores: lineais e circulares.

 

Normalmente, conectamos os acelerador lineais con colisións contra un branco fixo e os circulares con colisións frontais, pero ambos tipos de aceleradores poden ser usados para xerar ambos tipos de colisións. Sobre as diferenzas en termos de enerxía de ambos casos ver...

Unha breve descrición das ventaxas e inconvenientes de cada un deles pode consultarse aquí...


ACELERADOR LINEAL

Un acelerador lineal de partículas (tamén chamado linac) é un dispositivo eléctrico que mediante un deseño lineal acelera partículas subatómicas. As características depen-derán do tipo de partículas que van ser aceleradas: electróns, protóns ou ions. Os tamaños van desde o tubo de raios catódicos, aos 3,4 km do Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) en California.

Quizais quen tome o relevo do LHC no futuro, en certas investigacións na Física de Partículas, sexa un acelerador lineal de electróns (CLIC ou ILC).

O primeiro acelerador de partículas na cadea de aceleradores do CERN's é un acelerador lineal: LINAC4.


ACELERADOR CIRCULAR

Nun acelerador circular, as partículas móvense nunha traxectoria case circular ata acadar a enerxía necesaria. Esa traxectoria conséguese usando potentes campos magnéticos. A vantaxe sobre os lineais é que dese xeito podemos manter unha contínua aceleración, dado que as partículas poden circular todo o tempo que se precise. Outra vantaxe é que son relativamente máis pequenos que os aceleradores lineais do potencia semellante.

Dependendo da enerxía e do tipo de partículas aceleradas, os aceleradores circulares deseñados para a Física de Partículas teñen a desvantaxe de emitir radiación sincrotrón. Isto provoca unha contínua perda de enerxía e os problemas asociados á presenza deste tipo de radiación.

É importante ter en conta que un acelerador circular non é completamente circular, senón que está formado por arcos entre os que van inseridas partes rectas nas que están instalados: os puntos de interacción (cos detectores que rexistran os eventos producidos), zonas de inxeccións das partículas (que posúen alta velocidade alcanzada en aceleradores previos), cavidades de radiofrecuencia (nas que se proporciona enerxía ás particulas ata o máximo valor), zonas de colimación (para manter os feixes -beams- de partículas coa configuración idónea), e zonas de extracción nas que se retiran os paquetes de partículas -bunches- cando xa non posúen as características necesarias para ter o número requirido de colisións nas zonas de interacción.

Por outra banda, nesas partes rectas os feixes de partículas cargadas non xeran radiación sincrotrón (que si se produce nas partes curvas) evitándose así que se danen os detectores, colimadores, dispositivos de inxección e de extracción, cavidades de radiofrecuencia, etc.

O LHC, PSB, PS e SPS que da cadea de aceleradors do CERN son todos aceleradors circulares. Tamén o é o gran acelerador do futuro FCC.


Resumindo.

A vantaxe dun acelerador circular sobre un acelerador lineal é que as partículas nun acelerador circular reciben sucesivos impulsos en cada volta, polo que poden proporcionar partículas de moi alta enerxía sen ter que posuír unha lonxitude enorme. Ademais, o feito de que as partículas dean moitas voltas significa que hai moitas posibilidades de colisión nos puntos onde se cruzan os feixes de partículas.

Por contra, os aceleradores lineais son moito máis fáciles de construír que os circulares, xa que non necesitan dos grandes imáns necesarios para someter ás partículas cargadas á traxectoria circular (radiación sincrotrón). Ademais, as partículas cargadas no acelerador circular irradian energían constantemente, sendo esta máis grande canto menor é a masa.

Por iso considéranse aceleradores lineais para electróns/positrones (proxectos CLIC ou ILC) e circulares para protóns/antiprotones (como Tevatron do Fermilab, o LHC ou o FCC).



ACELERADORES CÓSMICOS

(Tomado de Cosmic rays: particles from outer space)

Como alcanzan os raios cósmicos enerxías tan elevadas? Onde están os aceleradores naturais? Os raios cósmicos de menor enerxía chegan desde o Sol nunha corrente de partículas cargadas coñecida como vento solar, pero precisar a orixe das partículas de maior enerxía resulta difícil, xa que as súas traxectorias se curvan nos campos magnéticos do espazo interestelar.

O estudo dos raios gamma de alta enerxía procedentes do espazo exterior ha achegado pistas. Estes son moito menos numerosos que os raios cósmicos cargados, pero ao ser eléctricamente neutros non ven influídos polos campos magnéticos. Xeran choivas de partículas secundarias que poden detectarse na Terra e que apuntan cara ao punto de orixe dos raios gamma. As fontes dos raios gamma de maior enerxía en nosa propia galaxia, a Vía Láctea, inclúen os restos de supernovas, como a famosa Nebulosa do Cangrexo; as ondas de choque destas explosións estelares propuxéronse desde hai tempo como posibles aceleradores naturais. Outras fontes de raios gamma de moi alta enerxía atópanse noutras galaxias, onde obxectos exóticos como os buracos negros supermasivos poden impulsar a aceleración. Tamén hai probas de que os raios cósmicos cargados de maior enerxía tamén teñen orixes similares noutras galaxias.


O seguinte suceso ocurrido en 2021 sírve de exemplo.

(Tomado de Cosmic Particle Accelerator. Europhysicsnews, In the Spotlights, 53 (2) 9, 2022)

O 8 de agosto de 2021, a Nova RS Ophiuchi volveu a explosionar. A explosión foi seguida en tempo real polos telescopios de raios gamma H.E.S.S. en Namibia.

As observacións revelaron un acelerador de partículas cósmicas cun detalle sen precedentes.

A Nova RS Ophiuchi comprende unha enana branca nun sistema binario cunha grande estrella da que recolle continuamente novo material. Cando o material recollido supera un nivel crítico, prodúcense explosións termonucleares na superficie da enana branca. RS Ophiuchi mostra repetidamente estas explosións na súa superficie cada 15 ou 20 anos. A nova crea una onda de choque que atravesa o medio circundante, arrastrando partículas con ela e acelerándoas ata alcanzar enerxías extremas. Os telescopios H.E.S.S. poden seguir en tempo real o curso da explosión e a onda de choque que a acompaña no réxime de raios gamma de alta enerxía.

 

Impresión artística da explosión de RS Ophiuchi Nova. As rápidas ondas de choque forman unha forma de reloxo de area ao se expandir, na que se producen raios gamma (Imaxe: DESY/H.E.S.S., Science communication Lab).

 


 

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doutor en Física de Partículas (experimental) pola USC. Research Fellow in experimental Particle Physics no CERN, desde xaneiro de 2013 a decembro de 2015. Actualmente está no Depto de Física de Partículas da USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Física e Química no IES de SAR de Santiago de Compostela, e Profesor Asociado no Departamento de Didáctica das Ciencias Experimentais da USC, ata o seu retiro en 2020. É licenciado en Física e en Química, e é Doutor pola Universidade de Santiago (USC).

CERN


CERN WEBSITE

CERN Directory

CERN Experimental Program

Theoretical physics (TH)

CERN Experimental Physics Department

CERN Scientific Committees

CERN Structure

CERN and the Environment

LHC


LHC

Detector CMS

Detector ATLAS

Detector ALICE

Detector LHCb

Detector TOTEM

Detector LHCf

Detector MoEDAL

 


NOTA IMPORTANTE

Toda a Bibliografía que foi consultada para esta Sección está indicada na Sección de Referencias

 


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO |

···