UNIVERSIDAD PRIVADA TELESUPINGENIERÍA DE SISTEMAS E INFORMÁTICA

“ACELERADORES DE PARTÍCULAS”

CURSO : FÍSICA APLICADA

CICLO : III

TUTOR : RAUL ROJAS REATEGUI

ALUMNO: MIGUEL ANGEL FLORES TICONA

2013

INDICEPág.

INTRODUCCIÓN 1

ACELERADOR DE PARTÍCULAS 2

Teoría de los aceleradores 2

Historia y Aceleradores existentes en el mundo 3

Aplicaciones, experimentos y resultados actuales 5

ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL ACELERADOR

DE PARTÍCULAS 10

TIPOS Y PRINCIPIOS FÍSICOS 11

Aceleradores Circulares 11

Ciclotrón 12

Sincrotrón 13

Principios Físicos 13

EL CERN Y EL LHC 15

LHC: ETAPAS Y FUNCIONAMIENTO 15

APLICACIONES COMUNES E IMPACTO SOCIAL 18

CONCLUSIONES 23

BIOGRAFIA 24

INTRODUCCIÓN

Este instrumento llamado acelerador de partículas, es de gran

importancia para la física es un dispositivo utilizado en el campo

eléctrico comúnmente como campos electromagnéticos para

impulsar partículas cargadas a altas velocidades, una nueva etapa

se marcó con el descubrimiento del acelerador de partículas que

tienen sus inicios alrededor de 1930

En el desarrollo de los aceleradores de partículas hay dos tipos

básicos: lineales y circulares En este artículo se describirán los tipos

más comunes de aceleradores de partículas.

Daremos un repaso de LHC etapas y funcionamientos; que intenta

descubrir los secretos los secretos que ocultan las partículas

elementales; veremos las aplicaciones comunes e impacto social de

los aceleradores de partículas.

1

I. ACELERADOR DE PARTÍCULAS

Un acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza campos

electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y

así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de

nuevas partículas que generalmente son muy inestables y duran menos de un

segundo, o bien, permite estudiar más a fondo las partículas que fueron

colisionadas por medio de las que fueron generadas. Hay dos tipos básicos de

aceleradores de partículas: los lineales y los circulares. El tubo de rayos

catódicos de un televisor es una forma simple de acelerador de partículas.

A. Teoría de los aceleradores

Los grandes aceleradores de partículas son instrumentos de investigación

científica extraordinariamente importantes, sobre todo en lo que refiere a la

física nuclear. Pero también se utilizan otros tipos de aceleradores más

reducidos para otros campos de la ciencia, como la medicina y la tecnología.

Un haz de partículas, merced a su energía cinética, puede penetrar en los

átomos del material bombardeado y provocar diversas transformaciones. En los

laboratorios de física nuclear, se estudia la naturaleza de esas

transformaciones, intentando sacar conclusiones acerca de las propiedades y

las estructuras de los núcleos atómicos.

Los resultados obtenidos en los aceleradores de partículas son numerosos.

Ciertos isótopos radioactivos no pueden obtenerse si no es mediante el

bombardeo por aceleración de partículas en un blanco determinado.

Se descubrieron varias partículas hasta entonces desconocidas, como las

antipartículas y los mesones, a través de la colisión a gran velocidad de haces

de electrones e iones.

La energía de las partículas que es posible alcanzar en un acelerador de

partículas varía desde unas decenas de KeV, en los aparatos más pequeños,

hasta los 14 TeV que teóricamente puede alcanzar el Gran Colisionador de

Hadrones.

2

La forma más sencilla de generar un acelerador de partículas es usando el

propio movimiento generado al calentar un material. Se calienta un filamento

hasta su incandescencia haciendo pasar por él una corriente eléctrica para

lograr esto. Con el aumento de la temperatura se puede desprender un electrón

de un átomo ionizado. Si no existe un campo electromagnético cerca que lo

acelere en dirección contraria este electrón que está cargado negativamente

regresaría al poco tiempo al átomo ionizado positivamente al atraerse las

cargas opuestas. Pero al colocar cerca del filamento una segunda placa,

creando una diferencia de potencial entre el filamento y ella, conseguiremos

acelerar el electrón. Al hacer un agujero en esta placa se podrán extraer

electrones.

Además debemos considerar la parte física del proceso con una de las

ecuaciones básicas de la teoría electromagnética, la de la fuerza de Lorentz .

Esquema Básico de un Acelerador de grandes rasgos consta de:

Elementos a través de los que circulan las partículas (cámara de vacío)

Elementos que aceleran las partículas (cavidades de radiofrecuencia)

Elementos que guían las partículas (dipolos, cuadripolos, etc.)

Elementos que miden las partículas (monitores de posición, etc.)

B. Historia y Aceleradores existentes en el mundo

Los ingleses Cockcroft y Walton, quienes en el año de 1932, fueron los

primeros en construir el primer acelerador de iones positivos, con el que

generaron un haz de protones de bajas energías y lo usaron para bombardear

isótopos de litio. El resultado de este bombardeo fue producir la primera

transmutación nuclear hecha totalmente por el hombre. Por este evento

Cockeroft y Walton recibieron el premio Nobel de Física en 1933.

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la

Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de

dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y

además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna

entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

3

Los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de bajas energías. Existen

algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el ciclotrón síncrono, pero el

problema no desaparece. Algunas máquinas utilizan varias fases acopladas

para utilizar mayores frecuencias.

Estos aceleradores se utilizan por ejemplo para la producción de radioisótopos

de uso médico, para la esterilización de instrumental médico o de algunos

alimentos, para algunos tratamientos oncológicos y en la investigación.

También se usan para análisis químicos, formando parte de los llamados

espectrómetros de masas.

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron

construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó

a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores

lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir

mayores energías en las partículas aceleradas.

El acelerador lineal de Stanford, que tiene una longitud de 3.2 Kilómetros,

puede producir electrones y protones de energía muy alta. En la parte derecha

inferior de la fotografía se ve un anillo de almacenamiento, el SPEAR, que tiene

unos 75 metros de diámetro. El acelerador Tevatrón de Fermilab es la primera

máquina superconductora que entró en operación.

El túnel del acelerador Tevatrón de Fermilab, uno de los laboratorios

nacionales de Estados Unidos, tiene una circunferencia de 6.3 Kilómetros.

CERN: Centro Europeo de Investigación Nuclear

Se creó en 1954 tiene un perímetro de 27 Km y profundidad de 140 m.

Participan más de 20 países. Tiene energías de 14 billones de eV (14 TeV). Se

estudia las partículas más fundamentales de la naturaleza mediante colisiones.

4

C. Aplicaciones, experimentos y resultados actuales

Los aspectos más importantes previstos por la Mecánica Global en relación a lo

que nos puede descubrir el próximo experimento LHC (Large Hadron Collider)

del CERN son:

No existencia del Bosón de Higgs

Conviene señalar que si se rompe el protón aparecerán muchas partículas

pequeñas provenientes de la estructura reticular de la materia enrollada que

forma la masa de los quarks y la energía fuerte de que están compuestos los

protones.

Seguramente surgirán partículas intermedias como paso previo a otras. Si a

algo parecido a los bosones W y Z lo quieren llamar Bosón de Higgs, vale, pero

seguirían teniendo el mismo problema, de dónde saca la masa el Bosón de

Higgs en el Modelo Estándar, si el vacío no tiene materia.

Todo ello, salvo que acaben llamando bosón de Higgs a Globus, algo difícil si

pensamos quela citada estructura reticular es irrompible y se extiende por todo

el universo. Claro, que también podrían acabar denominando Bosón de Higgs a

una cuerda vibrante o a un nudo de la Teoría de Cuerdas.

Procesos de contracción y expansión gravitacionales

De acuerdo con la Mecánica Global se producirá la desaparición y aparición de

partículas tipo ondones (wavons), por sus propias características de saltos y

alargamientos gravitatorios que, dada la descompresión de la masa, pueden

ser muy importantes. Dichos procesos serían como los observados de

expansión del espacio en las supernovas, pero en pequeñito y no de expansión

del espacio, sino de la globina o estructura reticular de la materia que conforma

o soporta la gravedad.

El problema aquí es que estos fenómenos los caractericen por un lado como

nubes probabilistas y, por otro, de expansión local del espacio, y de nuevo todo

resuelto y seguir negando lo obvio.

La radiación de sincrotrón cubre el espectro electromagnético de radiación que

se extiende desde el infrarrojo y luz visible hasta rayos x duros. Las primeras

5

fuentes de radiación de sincrotrón fueron los aceleradores de partículas con

forma de anillos, construidos para la investigación en física de partículas

elementales.

El acelerador de partículas permite llevar a cabo terapias por radiaciones

ionizantes. La energía producida al cambiar la trayectoria de las partículas

aceleradas se puede aplicar al tratamiento contra el cáncer.

Los aceleradores de partículas no son aparatos exclusivos de laboratorios

sofisticados, sino que también se encuentran muy presentes en la vida

cotidiana de las personas, en forma de aceleradores de baja energía, ejemplos

muy sencillos de estos aceleradores, de electrones principalmente, son los

televisores o monitores de ordenador o los aparatos de rayos X, que pueden

encontrarse en las clínicas dentales o en los hospitales.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo.1

Usa el túnel de 27 km de circunferencia creado para el Gran Colisionador de

Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y

cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Teóricamente se espera que este instrumento permita confirmar la existencia

de la partícula conocida como bosón de Higgs. La observación de esta

partícula confirmaría las predicciones y "enlaces perdidos" del Modelo Estándar

de la física, pudiéndose explicar cómo las otras partículas elementales

adquieren propiedades como la masa.

Campos magnéticos generados por imanes

Posteriormente, son inyectados en el acelerador grande. "A principios de marzo

se consiguieron en el anillo grande aumentar la energía de los protones hasta

3,5 TeV, primera vez a esas energías. Ahora hay dos haces a esa energía y

cuando choquen la energía será el doble, 7 TeV", ha detallado el investigador

español.

Concretamente, ha explicado que lo que hace acelerar las partículas son los

campos magnéticos generados por los imanes que tiene el LHC, en torno a

1.800 imanes superconductores que operan hasta 271 grados bajo cero. Estos

6

se reparten el trabajo, van impulsando las partículas y después hay imanes que

lo mantienen en una trayectoria.

"Lo que acelera a los protones son los campos eléctricos. Las partículas

cargadas en un campo eléctrico se aceleran, sufre una fuerza que le acelera en

su camino. Eso a lo bestia es el LHC, que tiene montones de campos eléctricos

que van dando empujoncitos a las partículas, que lo que hacen es curvarlas y

mantenerlas en una trayectoria curvada", ha agregado el experto.

COMPONENTES BÁSICAS DE UN ACELERADOR DE PARTÍCULAS

Después de la construcción del primer acelerador, en la misma década de los

30, se inventaron otros tipos de aceleradores tales como el ciclotrón,los

aceleradores lineales y los aceleradores tipo Van de Graaff. Debido a que los

primeros aceleradores de partículas se construyeron con el fin de estudiar

experimentalmente la estructura del núcleo atómico, por medio de colisiones

las que podían originar transmutaciones o reacciones nucleares, fue la razón

por lo que al hablar de un acelerador se asociaba automáticamente con un

laboratorio de física nuclear. La importancia de estos instrumentos de física

nuclear es similar a la del telescopio en astronomía o al microscopio en

bacteriología.

Actualmente el uso de los aceleradores se ha extendido a otras áreas de

investigación básica como la física atómica "el mundo de los electrones" y en

las partículas elementales. Los aceleradores en medicina se usan tanto en los

departamentos de radiología, para destruir tumores malignos, como para

producir radioisótopos que se utilizan en el diagnóstico de enfermedades

(medicina nuclear). El uso de los aceleradores en aplicaciones tecnológicas es

muy variado y el más conocido es en la industria de los semiconductores y del

núcleo-electrónica, las cuales se usan un tipo especial de aceleradores

conocidos como “implantadores” con los que es posible producir los "chips

electrónicos", circuitos integrados, etc.

El uso de aceleradores en Ciencia de Materiales ha sido, tanto para

modificarlos por la técnica de "implantación de iones" como para su 7

caracterización elemental a través de Técnicas de Análisis de Origen Nuclear

(retrodispersión de iones, reacciones nucleares, fluorescencia de rayos x, etc.).

Los parámetros más importantes que caracterizan a un acelerador son: el tipo

de partículas que pueden acelerar, el flujo o número de estas y su energía

cinética.

El número de partículas que produce un acelerador es relativamente fácil de

medir ya que el haz de partículas da origen a una corriente eléctrica y su

intensidad se expresa en amperios o submúltiplos de esta unidad. Un

acelerador que produce un haz de baja corriente, por ejemplo, de un

microamperio, equivale a un flujo de

6.2x1012 partículas/seg, lo cual da una idea del gran número de partículas si se

compara con las producidas por fuentes radiactivas.

Los aceleradores son instrumentos relativamente complejos y su diseño y

construcción requiere de alta tecnología e intervienen muchos campos de la

ingeniería. Una forma de clasificar los aceleradores es por la energía de los

proyectiles y los de alta energía o superaceleradorores están instalados, por

ejemplo en algunos laboratorios nacionales de los EUA, tal como, en Los

Alamos, BrookHaven, FermiLab y en Europa en el CERN.

Las instalaciones de estos superaceleradores son impresionantes por su gran

tamaño y los cientos de toneladas de materiales que se requirieron para su

construcción. Por ejemplo, el acelerador en el FermiLab es circular y tiene un

radio de un Km.

Sin embargo los conceptos sobre los principios de operación de los

superaceleradores y de los pequeños aceleradores son los mismos y son

simples y se describen a continuación.

El principio de funcionamiento del cualquier tipo de acelerador, se basa en la

interacción de los campos eléctricos producidos por fuentes de voltaje sobre la

carga eléctrica de las -partículas generadas en la fuente de iones y esta es la

razón por la que no se pueden acelerar partículas neutras.

8

Otras partes importantes asociadas a un acelerador son equipos periféricos

tales como: sistemas de vacío, líneas de transporte de haz, cámaras de

experimentación, etc.

Un tubo de rayos X y el cinescopio de una TV doméstica según la definición

anterior son aceleradores de partículas, sin embargo, en la práctica no se les

refiere con este nombre.

La energía cinética T de las partículas con carga q=ze(z= 1,2,3,4...), está

relacionada con el voltaje V de aceleración por la relación:

T=Vq

Como se sabe, las unidades que se usan para la energía en física son los julios

y/o ergios. Sin embargo, para cuantificar la energía de los proyectiles

acelerados se acostumbra usar unidades de electrón-volt (eV) o sus múltiples:

el keV= 1 000 eV, el MeV= 1 000 000 eV, el TeV= 1012 eV, etc. El uso de estas

unidades de energía es debido a la relación simple de la ecuación anterior, en

la cual la energía es numéricamente igual al voltaje. De acuerdo con la

ecuación anterior, una energía de 1 eV es el cambio de energía cinética que

experimenta una partícula con carga en valor absoluto igual a la del electrón,

después de pasar por una diferencia de potencial de un volt.

Desde un punto de vista de la mecánica clásica, la energía cinética T de una

partícula está relacionada con la masa en reposo mo y la velocidad v por la

siguiente relación:

T= ½mov2= qV

Esta ecuación es un caso particular de la relación general de la mecánica

relativista. Una consecuencia de la última ecuación es que la energía de las

partículas es independiente de la masa y solo depende de la carga.

9

II. ANTECEDENTES HISTÓRICOS DEL ACELERADOR DE PARTÍCULAS

El acelerador de partículas encuentra sus inicios a fines del siglo 18, cuando el

físico francés Henri Becquerel descubre el fenómeno de la radiactividad el cual

sería la base para los estudios posteriores del acelerador de partículas.

En el año de 1911, Ernest Rutherford y su equipo utilizaron una fuente de

partículas con radiación de tipo alfa como proyectiles para comprobar la

estructura de la material propuesta por Thompson.

El resultado sorprendente que se encontró fue que una partícula alfa de cada

diez mil era rebotada a ángulos grandes. En un libro de física, Feynman

menciona una analogía para recalcar lo sorpresivo de estos resultados y dice:

"puede compararse a la sorpresa que tendría una persona que disparara balas

con un rifle a una almohada llena de plumas y encontrara que algunas de las

rebotaran hacia él".

La conclusión a la que llegaría el que está disparando, es que dentro de la

almohada además de plumas esta contiene objetos muy masivos tales como

balas de cañón. La única forma de explicar los resultados de los experimentos

de Rutherford fue la de suponer que la mayor parte de la masa de los átomos

de oro, estaba concentrada en un pequeño volumen, al cual se le llamó el

núcleo atómico y fue así lo que dio origen al modelo nuclear de los átomos.

El estudio del núcleo atómico tanto en el ámbito teórico como experimental dio

origen a una nueva rama de la ciencia llamada la física nuclear y el estudio

experimental de estos sistemas se hizo inicialmente estudiando las colisiones

de los núcleos con proyectiles producidos por fuentes radiactivas. Las

limitaciones que tuvieron los primeros físicos nucleares, eran que disponían de

pocas fuentes radiactivas y también estas eran poco intensas, por lo que los

experimentos eran muy largos y tediosos. Otra limitación fue que los

experimentadores no podían seleccionar el tipo de proyectil y su energía

tampoco la podían variar adecuadamente.

La necesidad de disponer de instrumentos para generar proyectiles con los

cuales el experimentador pudiera controlar el tipo de partícula (protones,

deuterones, alfas, etc.) así como su energía y flujo de estos (corriente eléctrica)

10

fue lo que originó el invento de esos instrumentos a los cuales se les llamó

aceleradores de partículas.

III. TIPOS Y PRINCIPIOS FÍSICOS

A. Aceleradores Lineales

Los aceleradores lineales de altas energías utilizan un conjunto de placas o

tubos situados en línea a los que se les aplica un campo eléctrico alterno.

Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran hacia ella al

aplicar una polaridad opuesta a la suya. Justo cuando la traspasan, a través de

un agujero practicado en la placa, la polaridad se invierte, de forma que en ese

momento la placa repele la partícula, acelerándola por tanto hacia la siguiente

placa. Generalmente no se acelera una sola partícula, sino 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.

B. Aceleradores Circulares

Estos tipos de aceleradores poseen una ventaja añadida a los aceleradores

lineales al usar campos magnéticos en combinación con los eléctricos,

pudiendo conseguir aceleraciones mayores en espacios más reducidos.

Además las partículas pueden permanecer confinadas en determinadas

configuraciones teóricamente 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. La

emisión de esta radiación supone una pérdida de energía, que es mayor cuanto

más grande es la aceleración impartida a la partícula. Al obligar a la partícula a

describir una trayectoria circular realmente lo que se hace es acelerar la

partícula, ya que la velocidad cambia su sentido, y de este modo es inevitable

11

que pierda energía hasta igualar la que se le suministra, alcanzando una

velocidad máxima.

Para un mismo campo eléctrico de aceleración, el acelerador circular permite

alcanzar mayores energías, pues la particular pasa repetidas veces por el

campo.

Por otro lado, es más sencillo conducir la partícula en la dirección adecuada en

un acelerador lineal debido a que no se necesita curvar su trayectoria y solo

pasa una vez por cada punto, entre otros motivos.

Existen dos tipos principales de aceleradores de partículas de los cuales se

derivan algunos otros, analizaremos estos dos tipos de aceleradores, los

cuales analizaremos brevemente a continuación:

C. Ciclotrón

El primer ciclotrón fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la

Universidad de California. En ellos las partículas se inyectan en el centro de

dos pares de imanes en forma de "D". Cada par forma un dipolo magnético y

además se les carga de forma que exista una diferencia de potencial alterna

entre cada par de imanes. Esta combinación provoca la aceleración.

Estos aceleradores tienen un límite de velocidad bajo en comparación con los

sincrotrones debido a los efectos explicados anteriormente. Aun así las

velocidades que se alcanzan son muy altas, llamadas relativistas por ser

cercanas a la velocidad de la luz. Por este motivo se suelen utilizar unidades de

energía (electronvoltios y sus submúltiplos habitualmente) en lugar de unidades

de velocidad. Por ejemplo, para protones, el límite se encuentra en unos 10

MeV. Por este motivo los ciclotrones solo se pueden usar en aplicaciones de

bajas energías. Existen algunas mejoras técnicas como el sincrociclotrón o el

ciclotrón síncrono, pero el problema no desaparece.

12

D. Sincrotrón

Uno de los primeros sincrotrones, que aceleraba protones, fue el Bevatron

construido en el Laboratorio nacional Brookhaven (Nueva York), que comenzó

a operar en 1952, alcanzando una energía de 3 GeV.

El sincrotrón presenta algunas ventajas con respecto a los aceleradores

lineales y los ciclotrones. Principalmente que son capaces de conseguir

mayores energías en las partículas aceleradas. Sin embargo necesitan

configuraciones de campos electromagnéticos mucho más complejos, pasando

de los simples dipolos eléctricos y magnéticos que usan el resto de

aceleradores a configuraciones de cuadrupolos, sextupolos, octupolos y

mayores.

Estos aceleradores llevan asociado el uso de mayores capacidades

tecnológicas e industriales, tales como y entre otras muchas:

El desarrollo de superconductores, capaces de crear los campos

electromagnéticos necesarios, sin la necesidad de elevar el consumo eléctrico

hasta cotas impensables, sistemas de vacío, que permitan mantener las

partículas en el conducto donde se mantienen las partículas, sin pérdidas del

haz inadmisibles, superordenadores, capaces de calcular las trayectorias de las

partículas en las distintas configuraciones simuladas y, posteriormente, asimilar

las enormes cantidades de datos generadas en los análisis científicos de los

grandes aceleradores como el LHC.

E. Principios Físicos

Como toda gran maquina eléctrica, el acelerador de partículas tiene sus

fundamentos teóricos, en el caso del acelerador, los más relevantes se hallan

en el ámbito de la física, siendo un poco más específicos, existe una ecuación

en la cual se fundamenta todo el estudio y análisis de los aceleradores y en el

cual nos centraremos. Esta ecuación no es más que la desarrollada por Albert

Einstein y es la siguiente:

Einstein en su teorema de la relatividad nos dice que "La masa es una forma

de energía". A partir de esta teoría, nacen dos nuevos conceptos que ya se han 13

podido comprobar durante los experimentos realizados con los aceleradores de

partículas y estos son:

1) La energía puede transformarse en masa; cuando las partículas se mueven

a velocidades cercanas a la luz, se crea un efecto en donde estas partículas,

debido a la cantidad de energía muy grande, ya no pueden aumentar más su

velocidad pero sufren un incremento en su masa lo que causa que tengan una

masa mucho mayor a la que tienen en reposo.

2) Masas pueden aniquilarse dando energía; por otra parte, sucede que,

cuando las masas de los núcleos de 2 o más partículas se unen, liberan

energía y muchas veces el núcleo resultante tiende a tener una masa

ligeramente menor a la masa que debería tener, es decir, la masa resultante no

es directamente la suma de las masas que la conformaron, sino que es

levemente menor, por esta razón es que se dice que hubo un desprendimiento

de masa o "perdida" de masa liberando energía. De igual manera suceden

procesos inversos en los que absorben energía, estos procesos corresponden

a la fusión nuclear.

Estos experimentos se los realizan con el fin de conocer un poco más sobre la

"base" de toda la materia, es decir, tratar de conocer los componentes más

básicos de la materia, lo que se suele denominar como partículas elementales

debido a que no se podrían dividir a un nivel más pequeño.

Muchos científicos y físicos afirman que esto implicaría conocer el

comportamiento de toda la materia y que consecuentemente entenderíamos

mejor el mundo que nos rodea y responderíamos a preguntas como porque los

cuerpos se atraen o porque la materia se transforma.

Pero este universo que es de la física de partículas se halla a un nivel sub-sub-

atómico, es decir, en unidad de medida de longitud vendría a ser 1*10E-18

metros o inclusive más pequeño.

Estudios relativamente recientes, han determinado la existencia de "partículas

elementales" llamadas quarks, las cuales se busca estudiar con la ayuda del

acelerador de partículas.

14

Además, existe un gran interés en demostrar o desechar la existencia de una

partícula llamada Boson de Higgs, la cual se cree que podría ser la causante

de que el resto de partículas constituyentes de la materia tengan masa.

Ciertamente la respuesta a este enigma es aún desconocida, para dar

respuesta a este y otros paradigmas mas, es que los científicos se valen de la

ayuda de los aceleradores de partículas.

IV. EL CERN Y EL LHC

El CERN por sus siglas (Centro Europeo de Investigación Nuclear). Es una

institución en el cual participan más de 20 países y en el cual se realizan

estudios de las partículas más fundamentales que constituyen la materia

mediante colisiones de las mismas a grandes velocidades.

Esta centro fue creado alrededor del año 1954, y se ubica bajo las fronteras de

Suiza y Francia, tiene un perímetro de 27Km y una profundidad de 140m, en el

se trabajan con energías de hasta 14TeV.7

Por su parte, el LHC por sus siglas en inglés (Large Hadron Collider), el gran

colisionador de hadrones es un acelerador y colisionador de partículas que está

ubicado en el CERN, y fue diseñado para colisionar haces de protones, con el

propósito de examinar la validez de la teoría que describe las relaciones entre

las partículas elementales, a esta teoría si la conoce como modelo estándar la

cual es el marco teórico de la física de partículas. Dentro del LHC se llevan a

cabo diversos procesos para realizar la colisión de las partículas, dichos

procesos o pasos serán explicados de manera superficial a continuación

tratando de abarcar las etapas esenciales antes que las partículas lleguen a

colisionar entre ellas.

V. LHC: ETAPAS Y FUNCIONAMIENTO

La ciencia ha seguido un largo camino para tratar de entender los bloques de

los que está hecho la materia. Newton y otros han hecho esfuerzos para el

15

desarrollo de una teoría para la materia, en los últimos 100 años los científicos

descubrieron que los átomos no eran macizos.

Bueno esto se pretende demostrar con la ayuda de los aceleradores de

partículas, pero más específicamente con el LHC, en el, las partículas se

aceleran hasta obtener velocidades cercanas a la de la luz, pero para ello se

siguen una serie de etapas antes de realizar las colisiones y poder estudiar los

resultados obtenidos.

Con la ayuda del LHC se intenta descubrir todos los secretos que se ocultan en

las partículas elementales. La física moderna analiza partículas a nivel sub

subatómico, a estas partículas se las denomina quarks, nadie ha visto uno aun,

pero se ha comprobado que estos existen, pero, ¿cómo la ciencia ha

determinado que estos en verdad existen?

Una de botella de hidrogeno es el comienzo del mayor acelerador de partículas

(LHC) (Gran colisionador de hadrones), que se encuentra situado bajo las

montañas de ginebra, suiza. Los átomos de hidrogeno, son introducidos dentro

de un acelerador lineal, pero antes de comenzar son ionizados (se les quitan

los electrones), de tal manera que queda únicamente los núcleos, es decir,

protones estos tienen carga positiva y pueden ser acelerados por acción de un

campo eléctrico.

El camino de estas partículas que van a colisionar a energías enormes

empieza con la aceleración de los protones mediante un acelerador lineal,

hasta alcanzar una velocidad de aproximadamente 1/3 de la velocidad de la

luz.

A partir de aquí comienza una segunda etapa que ya no puede ser lineal, para

aumentar la intensidad del aceleración el paquete de protones se divide en 4,

ahora la aceleración es de forma circular, en una circunferencia de unos

150metros. Los átomos dan vueltas y vueltas mientras son empujados

mediante la acción de un campo eléctrico positivo que se aplica cuando los

protones pasan por un determinado punto, además otros campos eléctricos

hacen que las trayectorias sean las correctas, de esta manera los protones se

acelera hasta el 91.6% de la velocidad de la luz.

16

Una vez acelerados, los paquetes van a ser recombinados en 2 haces, de esta

manera serán llevados hasta el acelerador protón sincrotrón, en una tercera

etapa. Ahora ya están en un acelerador de 628 metros de circunferencia ahí los

protones van a tomar una velocidad del 99.9% de la velocidad de la luz. Ahora

hemos alcanzado un punto, que en el de a partir de ahora toda la energía que

se transmite a los protones mediante los campos eléctricos ya no se pueden

transformar en mayor velocidad, pues ninguna partícula se puede acelerar a

mayor velocidad que la velocidad de la luz, de modo que la energía añadida se

convierte en masa que se añade a los protones, en otras palabras los protones

ya no van a ir más rápido, pero serán más pesados(la energía cinética de los

protones se mide en electronvoltios), en este punto la energía de cada protón

es de 25GeV (los protones son 25 veces más pesados que cuando están en

reposo).

Finalmente, los protones pasan en una 4ta etapa, el súper protón sincrotrón, un

anillo de 7km de circunferencia, aquí la energía de los protones se eleva hasta

425GeV y están listos para pasar al gigantesco gran colisionador de hadrones

(LHC) si todo bajo los campos y montañas entre Francia y suiza, un anillo de

27km donde los haces de protones van a circular en sentido contrario. Dos

sofisticados ingenios sincronizan los haces de forma que hacen que uno circule

en sentido de las manecillas del reloj, mientras el otro lo hace en sentido

contrario. De este modo se consigue que cuando se choquen los haces de

protones la energía conseguida sea el doble.

Aproximadamente 30 minutos después de haber inyectado los átomos de

hidrogeno en el acelerador, estamos listos para la colisión. Se tienen alrededor

de 2800 paquetes y durante este tiempo el LHC añade energía a los protones,

la velocidad es tan próxima a la velocidad de la luz que dichos haces dan

11000 vueltas por segundo alrededor del anillo, finalmente cada protón tiene

una energía de 7TeV y son 7000 veces más pesados que en reposo.8 Los

campos magnéticos que son necesarios para mantener a los protones dentro

del anillo son tan grandes que hacen falta más de 12mil electro imanes para

mantenerlos, y tienen que ser tan eficientes que necesitamos que estén hechos

de material superconductor. Finalmente se va a producir la colisión entre dos

protones con una energía total de 14TeV, tratando de reproducir condiciones 17

posteriores al big bang. Las trayectorias del producto de colisión son

analizadas por ordenadores conectados a los detectores, así es como se

encuentran las nuevas partículas y como se investiga lo que pudo haber

ocurrido en los primeros instantes del universo, como se comporta actualmente

y que va a ocurrir en el futuro.

En síntesis, de esta manera es como se producen las colisiones entre los

haces de protones, de igual manera se dice que los quarks fueron descubiertos

en experimentos como este en el año de 1996. Ahora, lo que se intenta lograr

mediante estos experimentos es recrear las condiciones que pudieron haberse

dado en los primeros instantes después de la explosión del big bang,

realizando esto, pudiésemos tener una ligera idea de cómo funciona el universo

e incluso pudiésemos obtener pautas para que, de cierta forma, determinar que

podría pasar en el futuro, por esta razón es que los científicos del mundo

demuestran tal interés en el éxito de este experimento, pero esto al mismo

tiempo ha levantado muchas controversias, criticas e incluso temores. Han

aparecido muchas nuevas teorías sobre lo que podría suceder durante o

después de uno de estos experimentos.

De igual manera los experimentos más recientes muestran resultados

impresionantes e inimaginables, resultados que ya han marcado una nueva

etapa para la física, o al menos, han cambiado la forma de ver la física de

todos los científicos así como de las personas comunes, estos resultados se

los analizará ligeramente a continuación.

VI. APLICACIONES COMUNES E IMPACTO SOCIAL

Tras haber analizado los aceleradores de partículas podemos decir que no

todos son de tamaño colosal como el LHC, sino que los encontramos a menor

escala en nuestro diario vivir y que si no fuese por estos aceleradores no

pudiésemos hacer varias cosas en nuestra vida cotidiana como por ejemplo ver

la televisión. Este ejemplo del televisor es el más básico y el más común de

todos debido a que dentro del televisor encontramos un acelerador lineal, en

donde las partículas aceleradas inciden sobre la pantalla emitiendo luz y

desvelando las imágenes que vemos.18

Pero la televisión no es la única aplicación que tienen los aceleradores de

partículas, existen varios instrumentos como por ejemplo en el área de la

medicina que no existirían de no ser por los aceleradores.

De esta manera podemos asegurar que los aceleradores abarcan más que solo

realizar colisiones de partículas y tratar de descubrir las bases de la materia.

Este proyecto del LHC se ha visto envuelto en una serie de circunstancias y

debates sobre si estaría o no bien realizar este tipo de experimentos, así como

la opinión de diversos grupos humanos entre prensa, iglesia y otros grupos

científicos. Ciertamente la tensión aparece cuando se habla sobre la posibilidad

de que sucedieran algún tipo de error o accidente y se perdiera el control del

LHC o más propiamente dicho, que se perdiera el control de la reacción que se

origina al colisionar los haces de protones, arrojando como posibilidades de la

creación de un agujero negro que pudiera "tragarse" al planeta o que sucediera

una reacción que dejaría al planeta inerte. De igual manera otros tipos de

críticas rodean al LHC como el hecho de que se lo llega a llamar "La máquina

de Dios", o que con esta máquina se pretende encontrar "La partícula de Dios".

Por todas estas cuestiones, el LHC es uno de los proyectos más

controversiales de la historia. A preguntas como estas, o temores comunes de

las personas, los directores del CERN responden lo siguiente:" Ridículo,

obviamente, el mundo no se acabará cuando se encienda el LHC", dijo el líder

del proyecto Lyn Evans. Davis Francis, un físico del enorme detector de

partículas ATLAS, del LHC, sonrió cuando se le preguntó si le preocupaban los

agujeros negros y las hipotéticas partículas mortíferas llamadas strangelets. "Si

yo supusiera que esto fuese a suceder, estaría bien lejos de aquí", respondió."9

La seguridad del colisionador, que generará energías siete veces superiores a

las de su rival más poderoso, el Fermilab cerca de Chicago, ha sido motivo de

debate durante años. El físico Martin Rees ha calculado que las probabilidades

de que un acelerador produzca una catástrofe global son de una en 50

millones: diminuta, pero igual a la de ganar algunas de las loterías. Por el

contrario, un equipo de CERN emitió este mes un informe según el cual "no

hay peligros concebibles" de que se produzca un acontecimiento cataclísmico.

El informe confirmó esencialmente las conclusiones de un informe sobre

19

seguridad de CERN en el 2003, y un panel de cinco prominentes científicos no

afiliados a CERN, incluyendo un premio Nobel, avaló las conclusiones.10

Al refutar las predicciones apocalípticas, los científicos de CERN aclaran que

los rayos cósmicos han bombardeado la Tierra y han desencadenado

colisiones similares a las planeadas para el LHC desde que se formó el sistema

solar hace cuatro mil 500 millones de años. Y hasta ahora la Tierra ha

sobrevivido. "El LHC sólo va a reproducir lo que la naturaleza hace cada

segundo, lo que ha estado haciendo durante miles de millones de años", dijo

John Ellis, un físico teórico de CERN. Críticos como Wagner han dicho que las

colisiones causadas por aceleradores podrían ser más peligrosas que las de

los rayos cósmicos. Ambas podrían producir miniagujeros negros, versiones

subatómicas de los agujeros negros cósmicos, estrellas comprimidas cuyo

campo de gravitación es tan poderoso que pueden tragarse planetas enteros y

otras estrellas. Pero los miniagujeros negros producidos por las colisiones de

rayos cósmicos probablemente viajarían a tal velocidad que atravesarían la

Tierra sin consecuencias. Los miniagujeros negros producidos por un

acelerador de partículas, conjeturan los escépticos, se desplazarían más

lentamente y podrían quedar atrapados dentro del campo gravitacional de la

Tierra, y a la larga amenazar el planeta. Ellis dijo que los objetores dan por

sentado que el colisionador creará microagujeros negros, lo que consideró

improbable. Y aun si aparecieran, dijo, se evaporarían instantáneamente, como

pronosticó el físico británico Stephen Hawking.

De cualquier manera, y aunque se extremen las precauciones, siempre existirá

un temor hacia lo que podría ocurrir, es este mismo temor el que nos obliga a

tomar todas las precauciones de caso. Controversial o no, no cabe duda de

que el acelerador de partículas es un instrumento que nos ayudara a desvelar

muchos enigmas existentes.

El tema del acelerador de partículas abarca muchos ámbitos de la ciencia y

física, también es una de las maquinas con mayor desarrollo tecnológico de la

historia de la humanidad puesto que integra estos tipos de conocimientos y

muchos más. Ciertamente, el desarrollo del LHC y su funcionamiento

20

apropiado contribuyen valioso conocimiento a la humanidad y con certeza se

puede decir que es todo un éxito.

Solo con el tiempo y con mucha experimentación comprobaremos o

desecharemos las diversas teorías que se han planteado entre ellas si existe el

boson de higgs. Entre otros experimentos del LHC, se encuentra el de recrear

los primeros instantes luego del big bang, esto con el fin de comprender un

poco mejor la materia y el universo que nos rodea además de tener la

esperanza de que mediante este experimento poder predecir lo que pasara en

el futuro con las estrellas y todas las masas cósmicas. Se ha podido comprobar

también el cumplimiento de la teoría de la relatividad de Albert Einstein

arrojando asombrosos resultados inesperados, el posible descubrimiento de

algunos neutrinos que viajan más rápido que la velocidad de la luz ciertamente

cambia completamente la forma de cómo hemos concebido a la física hasta el

día de hoy, por supuesto que esto va contra la teoría de Einstein pero no

significa que esta será desechada, puesto que incluso estos mismos

descubrimientos fueron alcanzados basados en este principio, desde un punto

de vista un tanto personal, considero que esto marca una etapa , como en el

caso de las leyes de Newton que son aplicables hasta cierto punto, ahora las

leyes de Einstein se las aplicara en tanto la materia viaje a menor velocidad

que la de la luz, estas teorías no se pueden simplemente desechar y regirán

por algunos años más.

Con respecto al riesgo que representa el acelerador de partículas, en realidad

no creo que exista ningún riesgo de creación de un agujero negro o la

esparcion de partículas que dejen al planeta como una masa inerte puesto que

para lograr algo como eso deberíamos brindar una cantidad infinita de impulso

a las partículas y para ello deberíamos dar una cantidad infinita de energía y

por mucho que se acumule energía en una partícula nunca alcanzaremos los

niveles necesarios para ello, aparte que se trata de dimensiones sumamente

pequeñas dentro de un espacio extremadamente grande para las partículas, y

cuando estas colisionan, no lo hacen todas a la vez. Ahora con respecto a las

medidas de seguridad dentro del acelerador, el riesgo es alto por la cantidad de

energía que alcanzan las partículas, pero de mismo modo las normas de

precaución deben ser extremadamente altas, otro factor es que estos 21

experimentos se los realizan en países con altos estándares de seguridad y

una prueba de ello es que el LHC está construido bajo tierra.

Con respecto a observaciones por parte de la iglesia y/o por grupos religiosos

sobre el tema, no se trata de jugar a ser Dios, son tan solo pruebas de lo que

pudo haber sucedido, lo único que buscan los humanos es encontrar respuesta

a muchas de sus preguntas. Con toda la información esparcida mediante los

medios de comunicación, todas las personas nos vemos bombardeadas

diariamente con mucha información y por este información que no tenemos la

certeza que sea la correcta, considero más apropiado tomar información directo

de la fuente.

22

CONCLUSIONES

Las partículas elementales se aceleran a velocidades de hasta el

99%de la velocidad de la luz y colisionan a las más altas energías

que el hombre conoce. En estos choques se generan nuevas

partículas subatómicas cuyo tiempo de vida es infinito, pero

suficiente para poder ser estudiadas.

Se ha visto que existen diferentes aceleradores de partículas por lo

que más se ha aplicado es en aceleradores de partículas lineales

como el televisor, microscopio, etc.

Un acelerador de partícula consiste esencialmente en un gran anillo

hueco en que se intercalan grandes fuentes de energía electica y

grandes imanes en los que se inyectan electrones, iones y

protones. También se ha podido investigar que los aceleradores de

partículas son tan importantes que se podría usar en la medicina y

muchos descubrimientos científicos y así ser una ventaja para la

humanidad.

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BIOGRAFIA

Cheng, D. fundamentos de electromagnetismo para ingenieros.

1997. editorial Addison Wesley. Recuperado 13 de Mayo del 2013.

Eduardo, A. Acelerador de Partículas. Instituto de Física de la

UNAM. Recuperado 13de Mayo del 2013.

Teknociencia.com. Aceleradores de Partículas. Recuperado 10 de

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http://science.portalhispanos.com/wordpress/fisica/aceleradores-de-

particulas-particles-acelerator/

Teknociencia.com.Historia del CERN y El acelerador de partículas.

Recuperado 10 de Mayo del 2013, de

http://science.portalhispanos.com/wordpress/fisica/megaestructuras-

el-acelerador-de-particulas/

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