PARTÍCULAS DE ALTA ENERGÍA Y ACELERADORES

En los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, se descubrió que si la partícula incidente en una reacción nuclear tenía suficiente energía, se podía producir nuevos tipos de partículas. Los primeros experimentos usaron rayos cósmicos, partículas que inciden sobre la Tierra desde el espacio. En el laboratorio, se construyeron varios tipos de aceleradores de partículas para acelerar protones o electrones a altas energías, aunque también es posible acelerar iones pesados. Estos aceleradores de alta energía se usan para sondear con mayor profundidad en la materia, para producir y estudiar nuevas partículas y así también obtener información acerca de las fuerzas constituyentes básicos de la naturaleza. Puesto que las partículas proyectiles tienen alta energía, este campo a veces se llama física de alta energía.

Longitud de onda y resolución

Las partículas aceleradas a alta energía pueden sondear el interior de los núcleos y nucleones u otras partículas con las que choquen. Un importante factor es que los proyectiles de rápido movimiento pueden revelar más detalles. La longitud de onda de las partículas proyectiles esta dada por la fórmula de longitud de onda de De Broglie:

donde se muestra que cuanto mayor sea la cantidad de movimiento p de la partícula proyectil, más corta es su longitud. La resolución de los detalles en las imágenes (de la difracción) está delimitada por la longitud de onda: cuanto más corta sea la longitud de onda, más fino será el detalle que se puede obtener. Ésta es la razón por la que en años recientes se construyeron aceleradores de partículas con energías cada vez más altas: para sondear todavía con mayor profundidad en la estructura de la materia, a dimensiones cada vez menores.

Otra importante razón para construir aceleradores de alta energía es que a altas energías se pueden producir nuevas partículas con mayor masa, al transformar la energía cinética de las partículas que chocan, en partículas masivas E=mc²

CICLOTRÓN

El ciclotrón lo desarrolló en 1930 E. O. Lawrence (1901-1958) en la Universidad de California, Berkeley. Usó un  campo magnético para mantener iones cargados, por lo general protones, en trayectorias casi circulares. Aunque los físicos de partículas ya no usan ciclotrones simples, se usan en medicina para tratar el cáncer, y sus principios operativos son útiles para entender los aceleradores modernos. Los protones se mueven en un vacío dentro de dos cavidades con forma de D, como se muestra en la figura. Cada vez que pasa hacían la brecha entre las "des", un voltaje las acelera (la fuerza eléctrica), lo que aumenta su rapidez y el radio de curvatura de su trayectoria en el campo magnético. Después de muchas revoluciones, los protones adquieren alta energía cinética y llegan al borde exterior del ciclotrón, donde inciden sobre un blanco. Lo protones aceleran solo cuando están en la brecha entre las "des", y el voltaje debe ser alterno. Cuando los protones se mueven hacia la derecha a través de la brecha, la "de" derecha debe ser electricamente negativa y la izquierda, positiva. Medio ciclo después, los protones se mueven hacia la izquierda, de manera que la "de" izquierda debe ser negativa para acelerarlas.

SINCROTRÓN

Otra forma de acelerar partículas relativistas es aumentar el campo magnético B en el tiempo para mantener (f) constante conforme las partículas aceleran. Tales dispositivos se llaman sincrotones; las partículas se mueven en un circuito de radio fijo, que puede ser muy grande. En el Centro Europeo para Investigación Nuclear en Ginebra, el Gran Colisionador de Hadrones, tiene 4,3 km de radio y acelera protones a 7 TeV. El Tevatrón en el Fermilab (el Laboratorio Nacional Fermi) en Batavia, tiene un radio de 1,0 km. El Tevatrón usa imanes superconductores para acelerar protones a aproximadamente 1000 GeV = 1 TeV (de ahí su nombre). Estos grandes sincrotones usan un estrecho anillo de imanes y cada imán se coloca en el mismo radio desde el centro del circulo. Los imanes se interrumpe mediante brechas donde alto voltaje acelera las partículas.

          

          Un problema de cualquier acelerador es que acelerar cargas eléctricas irradia energía electromagnética. Puesto que los iones o electrones se aceleran en un acelerador, es posible esperar que se pierda considerable energía mediante radiación.

^{Bibliografía: Física para Ciencias e ingeniería con física moderca- Volumén II- 4ta edición - Douglas C. Giancoli}