ACELERADORES DE ACELERADORES DE PARTICULASPARTICULAS

Arnulfo Zepeda, Cinvestav

26 de abril de 2010

¿QUE SON LOS ACELERADORES?¿QUE SON LOS ACELERADORES? Los aceleradores de partículas son Los aceleradores de partículas son

instrumentos que utilizan campos instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas.energías) muy altas.

A. Zepeda

¿Qué son los aceleradores?¿Qué son los aceleradores?

Son instrumentos que producen haces de partículas con energías e intensidades específicas que pueden ser usadas en una gran variedad de investigaciones tanto básicas como aplicadas.

El diseño, la construcción, el mantenimiento, la operación y el uso de estos tipo de instrumentos requiere la participación de científicos, ingenieros y técnicos provenientes de una gran cantidad de disciplinas.

E. O. Lawrence, con una prototipo de su ciclotrón de 1929 (© CORBIS) G. Contreras

EJEMPLOSEJEMPLOS Tubo de rayos catódicos:Tubo de rayos catódicos:

como en televisiones y monitores antiguos.A. Zepeda

Su televisión tiene todos los componentes básicos de un acelerador de partículas.

A. Zepeda

hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en

búsqueda de los elementos fundamentales de la materia:

A. Zepeda

R.López

El LHC se diseñó para colisionar haces de protones de hasta 7 X1012eV

de energía.

Su propósito principal es examinar la validez y límites del Modelo Estándar

Método moderno de aceleraciónMétodo moderno de aceleración

Cavidades de radio-frecuenciaCavidades de radio-frecuencia::

Los aceleradores pueden tener una de Los aceleradores pueden tener una de las dos formas siguientes: las dos formas siguientes:

Aceleradores Aceleradores lineales: la lineales: la partícula arranca en partícula arranca en un extremo y sale un extremo y sale porpor el otro.el otro.

•Aceleradores construidos en forma de anillo: la partícula se acelera mientras da vueltas y vueltas y vueltas...

Elementos de un aceleradorElementos de un aceleradorA grandes rasgos un acelerador 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, cuadrupolos,etc.)● Elementos que miden las partículas (monitores de posición, etc

Colisiones de dos tiposColisiones de dos tipos

Blanco fijo: Blanco fijo: Disparan una Disparan una partícula contra un partícula contra un blanco fijo. blanco fijo.

Colisionadores: Colisionadores: Dos haces de Dos haces de partículas se partículas se hacen colisionar hacen colisionar entre síentre sí. .

R.López

¿PARA QUE SIRVEN?¿PARA QUE SIRVEN?

Para explorar la estructura atómica y Para explorar la estructura atómica y subatómica.subatómica.

Para analizar propiedades de materiales.Para analizar propiedades de materiales. Para tratar tumores.Para tratar tumores. Para realizar análisis químicos y Para realizar análisis químicos y

biomédicos.biomédicos. Para llevar a cabo estudios de los efectos Para llevar a cabo estudios de los efectos

de la radiación sobre los seres humanos.de la radiación sobre los seres humanos. Para producir energía (energy amplifier).Para producir energía (energy amplifier). Y otras aplicaciones. Y otras aplicaciones.

A. Zepeda

Lineales pequeños y betatrones: terapia contra el cáncer

• Ciclotrones para producción de isótopos: marcadores radioactivos para la industria / marcadores bioquímicos para medicina

Sincrotrones de protones: terapia hadrónica contra el cáncer

Haces de electrones de baja energía: curar capas de pintura, polimerizar plásticos, esterilizar equipo/comida

Espectrometría de

Emisión de Rayos X Inducida por Electrones de Baja Energía

Courtesy of IBA

•Haces de iones pesados: implantación de átomos en circuitos electrónicos, grabado de circuitos, endurecimiento de metales

• Baja energía, alta intensidad: reacciones termonucleares autosostenidas, transmutación de desechos radioactivos (R&D actualmente)

• Altas energías: investigaciones de física fundamental

• Fuentes de luz: cristalografía de proteínas, litografía de chips, ciencias de materiales, medicina forense, geofísica, … • …

G. Contreras

COMPLEJOS DE ACELERADORESCOMPLEJOS DE ACELERADORES

Para alcanzar altas energías se requiere una serie de Para alcanzar altas energías se requiere una serie de aceleradores conectados en serie y de tal manera que cada aceleradores conectados en serie y de tal manera que cada uno recibe el haz de proyectiles y le proporciona un uno recibe el haz de proyectiles y le proporciona un incremento considerable en su energía.incremento considerable en su energía.

Ejemplos: Ejemplos:

• Complejo de aceleradores del CERN.Complejo de aceleradores del CERN.

• Complejo de investigación de aceleradores de Complejo de investigación de aceleradores de protones de Japón (J-PARC). protones de Japón (J-PARC).

A. Zepeda

Complejo de aceleradores del CERNComplejo de aceleradores del CERN

En LEIR los iones (Pb54+) adquieren 72MeV/u

En PS adquieren 5.9GeV/u

En SPS (Pb82+), 177GeV/u

En LHC, 2.76 TeV/u

Programa de investigación con el Programa de investigación con el acelerador linealacelerador lineal

Se abrirá una convocatoria para Se abrirá una convocatoria para recibir propuestas de uso del haz de recibir propuestas de uso del haz de protones.protones.

A. Zepeda

Colaboración internacionalColaboración internacional

CERNCERN EuropaEuropa Estados UnidosEstados Unidos

Proyectos de cooperación entre Europa Proyectos de cooperación entre Europa y América Latinay América Latina

• HELENHELEN: 4M: 4M€€, 3 años, 36 instituciones, 4 de México, , 3 años, 36 instituciones, 4 de México, acaba de terminaracaba de terminar

• EPLANETEPLANET: 3M: 3M€€, 4 años, 32 instituciones, 5 de México, , 4 años, 32 instituciones, 5 de México, acaba de iniciar.acaba de iniciar.

Existing U.S. Proton Therapy CentersExisting U.S. Proton Therapy Centers

Midwest Proton Radiotherapy Institute at Indiana University, Bloomington, Midwest Proton Radiotherapy Institute at Indiana University, Bloomington, IndianaIndiana

Loma Linda University Medical Center, southern CaliforniaLoma Linda University Medical Center, southern Californiasee also www.protons.comsee also www.protons.com

M.D. Anderson Cancer Center's Proton Therapy Facility, Houston, TexasM.D. Anderson Cancer Center's Proton Therapy Facility, Houston, Texas

Francis H. Burr Proton Therapy Center at Massachusetts General Hospital, Francis H. Burr Proton Therapy Center at Massachusetts General Hospital, Boston, MassachusettsBoston, Massachusetts

The University of Florida Proton Therapy Institute, Jacksonville, Florida The University of Florida Proton Therapy Institute, Jacksonville, Florida

Programa del CERN en hadroterapiaPrograma del CERN en hadroterapia

Hadron Therapy continues to make progress

• PARTNER Marie Curie ITN project funded (CERN is the coordinator, 25 posts - 4 at CERN for 3 years)

• ENLIGHT (European Network for Light Ion Therapy) workshop at CERN (funded by COST; CERN is the coordinator of ENLIGHT): Novel Imaging systems.

• ULICE (Union of Light ion Centres in Europe): CERN is a ~10% partner

• Implementation in Member States HIT (Heidelberg) will be operational beginning of 2008 CNAO (Pavia) likely to be operational end of 2008

----------- recent developments -----------

MedAustron (Wiener Neustadt) collaboration signed with CERN TERA-spin-off company, ADAM, created in Geneva ETOILE at Lyon …more to come

Funding Agencies for Large Funding Agencies for Large CollidersColliders

Established in 2003 as an informal venue for the discussion Established in 2003 as an informal venue for the discussion of large international particle physics facilities. Recognizes of large international particle physics facilities. Recognizes that the scale of future facilities in high energy physics will that the scale of future facilities in high energy physics will require international cooperation.require international cooperation.

Primarily focused on the International Linear Collider (ILC), Primarily focused on the International Linear Collider (ILC), but it has expanded to include a broader (and not exclusive) but it has expanded to include a broader (and not exclusive) set of facilities now in operation (JPARC, LHC, Tevatron) and set of facilities now in operation (JPARC, LHC, Tevatron) and future proposed colliders (ILC, CLIC, Muon Collider).future proposed colliders (ILC, CLIC, Muon Collider).

Agencies from three regions participate (Americas, Asia, Agencies from three regions participate (Americas, Asia, Europe). Each region allotted five to seven delegates. Europe). Each region allotted five to seven delegates. Americas currently represented by only Canada and U.S. Americas currently represented by only Canada and U.S.

Offers participants an opportunity to share information and Offers participants an opportunity to share information and to begin preparatory discussions for future large facilities.to begin preparatory discussions for future large facilities.

Meets twice a year, next meeting January 18-19Meets twice a year, next meeting January 18-19thth, 2010 in , 2010 in Mumbai India. Pleased to invite a representative from the Mumbai India. Pleased to invite a representative from the Mexican government to observe and consider regular Mexican government to observe and consider regular participation.participation.

Consejos nacionales para el apoyo del desarrollo Consejos nacionales para el apoyo del desarrollo de colisionadores de altas energíasde colisionadores de altas energías

Asociación establecida en 2003 como un medio informal para la discusión

sobre grandes instalaciones internacionales para física de altas energías. Enfocada principalmente al Colisionador Lineal Internacional, pero incluye Enfocada principalmente al Colisionador Lineal Internacional, pero incluye

un conjunto mas amplio de instalaciones en operación (JPARC, LHC, un conjunto mas amplio de instalaciones en operación (JPARC, LHC, Tevatron) y colisionadores en diseño para el futuro (ILC, CLIC, Muon Tevatron) y colisionadores en diseño para el futuro (ILC, CLIC, Muon Collider).Collider).

Participan agencias de tres continentes (América, Asia y Europa). Cada Participan agencias de tres continentes (América, Asia y Europa). Cada continente con 5 a 7 delegados. América representado por ahora solo por continente con 5 a 7 delegados. América representado por ahora solo por Canadá y Estados Unidos.Canadá y Estados Unidos.

Una oportunidad para compartir información y preparar discusiones sobre Una oportunidad para compartir información y preparar discusiones sobre grandes instalaciones futuras.grandes instalaciones futuras.

Se reúne dos veces por año. La próxima reunión es del 18 al 19 de enero Se reúne dos veces por año. La próxima reunión es del 18 al 19 de enero de 2010 en Bombay, India. Se esta invitando a un representante del de 2010 en Bombay, India. Se esta invitando a un representante del gobierno mexicano como observador y para que considere una gobierno mexicano como observador y para que considere una participación regular.participación regular.

Educación y entrenamientoEducación y entrenamiento

Escuela de física de aceleradores y Escuela de física de aceleradores y hadroterapia para estudiantes de hadroterapia para estudiantes de licenciatura y postgrado y para profesores licenciatura y postgrado y para profesores de educación media superior.de educación media superior.

Estancias de entrenamiento en el Estancias de entrenamiento en el laboratorio del ININ.laboratorio del ININ.

Intercambio con Europa a través de Intercambio con Europa a través de programas de movilidad como HELEN y programas de movilidad como HELEN y EPLANET (L. Maiani, V. Riquer)EPLANET (L. Maiani, V. Riquer)

Transferencia de tecnología. Transferencia de tecnología. A. Zepeda

BENEFICIOS ADICIONALESBENEFICIOS ADICIONALES

Formación de recursos humanos altamente Formación de recursos humanos altamente calificados en diversas disciplinas que calificados en diversas disciplinas que intervienen en el diseño, construcción y intervienen en el diseño, construcción y operación del centro de hadroterapia, operación del centro de hadroterapia, principalmente en el área de aceleradores.principalmente en el área de aceleradores.

Desarrollo de aplicaciones en investigación Desarrollo de aplicaciones en investigación básica y tecnológica en las áreas de física básica y tecnológica en las áreas de física atómica y nuclear y en los sectores industrial, atómica y nuclear y en los sectores industrial, agroindustrial y de salud.agroindustrial y de salud.

A. Zepeda

PARA CONCLUIRPARA CONCLUIR En la comunidad mexicana ya hay experiencia en En la comunidad mexicana ya hay experiencia en

la participación en grandes experimentos de la participación en grandes experimentos de ciencia básica localizados en Europa, Estados ciencia básica localizados en Europa, Estados Unidos y otros países. Unidos y otros países.

Pero ya es hora de emprender un gran proyecto de Pero ya es hora de emprender un gran proyecto de largo plazo de desarrollo científico y tecnológico largo plazo de desarrollo científico y tecnológico localizado en México y de beneficio directo a la localizado en México y de beneficio directo a la sociedad.sociedad.

El proyecto que aquí se discute tiene además la El proyecto que aquí se discute tiene además la ventaja de ser relativamente de bajo costo en ventaja de ser relativamente de bajo costo en relación a las instalaciones que aquí se han relación a las instalaciones que aquí se han

presentadopresentado..

GRACIAS POR SU ATENCION !GRACIAS POR SU ATENCION !

¿Para qué sirven los ¿Para qué sirven los aceleradores?aceleradores?

• Lineales pequeños y betatrones: terapia contra el cáncer• Ciclotrones para producción de isótopos: marcadores radioactivos para la industria / marcadores bioquímicos para medicina• Sincrotrones de protones: terapia hadrónica contra el cáncer• Haces de electrones de baja energía: curar capas de pintura, polimerizar plásticos, esterilizar equipo/comida, …• Haces de iones pesados: implantación átomos en circuitos electrónicos, grabado de circuitos, endurecimiento de metales• Baja energía, alta intensidad: reacciones termonucleares autosostenidas, transmutación de desechos radioactivos (R&D actualmente)• Altas energías: investigaciones de física fundamental• Fuentes de luz: cristalografía de proteínas, litografía de chips, ciencias de materiales, medicina forense, geofísica, … • …

G. Contreras

PARTICIPACION DE INSTITUCIONES PARTICIPACION DE INSTITUCIONES

MEXICANAS EN EL PROYECTO MEXICANAS EN EL PROYECTO Existe en México una comunidad Existe en México una comunidad

numerosa interesada en el desarrollo y numerosa interesada en el desarrollo y aplicación de aceleradores. En este tema aplicación de aceleradores. En este tema se han desarrollado en los últimos años se han desarrollado en los últimos años diversas reuniones y conferencias. diversas reuniones y conferencias. Ejemplo:Ejemplo:

En particular en el Cinvestav trabajan En particular en el Cinvestav trabajan varios colegas interesados en participar varios colegas interesados en participar ampliamente en el desarrollo de un centro ampliamente en el desarrollo de un centro de hadroterapia.de hadroterapia.

A. Zepeda

Personal del Cinvestav interesado en el área de Personal del Cinvestav interesado en el área de aceleradores y hadroterapiaaceleradores y hadroterapia

Ricardo LopezRicardo Lopez Guillermo ContrerasGuillermo Contreras Jose MustreJose Mustre Rosa E. San Miguel Luis Manuel Montaño Juan José Godina Gerardo HerreraGerardo Herrera Luis G. BriebaLuis G. Brieba Mauricio CarbajalMauricio Carbajal Y muchos otros del Cinvestav y de otras instituciones, Y muchos otros del Cinvestav y de otras instituciones,

algunos aquí presentes [Universidad de Guanajuato (J.L. algunos aquí presentes [Universidad de Guanajuato (J.L. Lucio), Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (H. Lucio), Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (H. Salazar, etc.)Salazar, etc.)

A. Zepeda