Acelerador de partículas para niños
Un acelerador de partículas es una máquina especial que usa fuerzas eléctricas y magnéticas para hacer que partículas muy pequeñas, como los electrones o los protones, viajen a velocidades altísimas. Imagina que es como una pista de carreras para partículas diminutas. Cuando estas partículas alcanzan velocidades muy altas, se las hace chocar entre sí o contra otros materiales.
Al chocar, las partículas se rompen y crean otras partículas nuevas, que suelen ser muy inestables y duran muy poco tiempo. Estudiar estas nuevas partículas nos ayuda a entender de qué está hecho el universo y cómo funcionan las cosas a un nivel muy, muy pequeño.
Existen dos tipos principales de aceleradores de partículas: los que son rectos (llamados lineales) y los que tienen forma de círculo (llamados circulares). Un ejemplo sencillo de acelerador de partículas es el tubo de rayos catódicos que se usaba en los televisores antiguos.
Los aceleradores de partículas son un poco como los rayos cósmicos que llegan a la Tierra desde el espacio. Esos rayos también chocan con nuestra atmósfera y crean partículas raras. Pero los aceleradores nos permiten estudiar estas partículas de una manera mucho más controlada y segura.
El estudio de estas partículas, tanto las que duran mucho como las que duran poco, puede ser muy útil en el futuro para mejorar la medicina moderna, ayudar en la exploración espacial y desarrollar nuevas tecnologías electrónicas.
Contenido
Aceleradores de alta energía
Aceleradores lineales: ¿Cómo funcionan?
Los aceleradores lineales, a menudo llamados "linacs", son como un túnel largo y recto. Dentro de este túnel, hay una serie de placas o tubos colocados en línea. Se les aplica una corriente eléctrica que cambia de dirección muy rápido.
Cuando una partícula cargada se acerca a una placa, la placa la atrae y la acelera. Justo cuando la partícula pasa por un agujero en la placa, la corriente eléctrica cambia, y ahora la placa la empuja, acelerándola hacia la siguiente placa. Este proceso se repite una y otra vez, haciendo que la partícula vaya cada vez más rápido.
Normalmente, no se acelera una sola partícula, sino muchos grupos de partículas, uno tras otro. La corriente eléctrica en cada placa se controla con mucho cuidado para que el proceso funcione perfectamente con cada grupo de partículas.
A medida que las partículas se acercan a la velocidad de la luz, la corriente eléctrica tiene que cambiar de dirección tan rápido que se usan ondas de radio especiales, llamadas microondas, en lugar de placas simples.
Algunos aceleradores lineales más antiguos, como los generadores Cockcroft-Walton o los generadores Van de Graaff, usan electricidad estática o convierten la corriente para crear voltajes muy altos.
Estos aceleradores lineales a menudo se usan como el primer paso para dar un empujón inicial a las partículas antes de que entren en aceleradores circulares más grandes. El acelerador lineal más largo del mundo es el Stanford Linear Accelerator (SLAC), que mide 3 km de largo.
También se usan mucho en la radioterapia y la radiocirugía para tratar enfermedades. Producen haces de electrones o rayos X de alta energía.
Aceleradores circulares: ¿Por qué son curvos?
Los aceleradores circulares tienen una ventaja: usan tanto fuerzas eléctricas como magnéticas. Esto les permite acelerar las partículas a velocidades aún mayores en un espacio más pequeño. Además, las partículas pueden dar muchas vueltas, lo que les permite ganar mucha energía.
Sin embargo, tienen un límite. Cuando las partículas cargadas se mueven en círculo, pierden energía en forma de una luz especial llamada radiación sincrotrón. Cuanto más rápido van y más cerrada es la curva, más energía pierden. Llega un punto en que la energía que pierden es igual a la que ganan, y ya no pueden acelerar más.
Algunos aceleradores aprovechan esta luz sincrotrón para otros estudios, como analizar materiales o proteínas con espectroscopia de rayos X.
Esta pérdida de energía es mayor para partículas más ligeras, como los electrones. Por eso, para alcanzar energías muy altas, se suelen acelerar partículas más pesadas, como protones. Un ejemplo famoso es el gran colisionador de hadrones en el CERN, que es el acelerador circular más grande del mundo.
Los aceleradores circulares más grandes y potentes, como el acelerador relativista de iones pesados o el Tevatrón, se usan para experimentos de física de partículas y para descubrir los secretos más profundos de la materia.
Ciclotrón: El primer acelerador circular
El primer ciclotrón fue inventado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En un ciclotrón, las partículas se inyectan en el centro de dos grandes imanes en forma de "D". Estos imanes crean un campo magnético que curva la trayectoria de las partículas, haciéndolas girar en espiral. Al mismo tiempo, se aplica una corriente eléctrica que cambia de dirección, dando un "empujón" a las partículas cada vez que pasan por el espacio entre las "D".
Los ciclotrones son muy buenos para acelerar partículas a velocidades altas, pero tienen un límite de energía en comparación con otros aceleradores más modernos. Aun así, las velocidades que alcanzan son tan grandes que se les llama "relativistas", porque se acercan a la velocidad de la luz. Por eso, en lugar de hablar de velocidad, se suele hablar de la energía que alcanzan las partículas, medida en electronvoltios.
Estos aceleradores se usan para muchas cosas importantes, como producir materiales especiales para la medicina (por ejemplo, para las pruebas PET), para esterilizar equipos médicos o alimentos, para algunos tratamientos contra el cáncer y para la investigación. También se usan en espectrómetros de masas para analizar sustancias químicas.
Para alcanzar energías mucho más altas, se necesitan los sincrotrones.
Sincrotrón: El gigante de los aceleradores
Uno de los primeros sincrotrones importantes fue el Bevatron, construido en 1952. Los sincrotrones son capaces de dar a las partículas mucha más energía que los ciclotrones o los aceleradores lineales. Sin embargo, necesitan sistemas de campos eléctricos y magnéticos mucho más complejos para guiar las partículas.
Para construir y operar estos enormes aceleradores, se necesitan tecnologías muy avanzadas, como:
- Superconductores: Materiales especiales que permiten crear campos magnéticos muy fuertes sin gastar mucha electricidad.
- Sistemas de vacío: Tubos donde se extrae todo el aire para que las partículas puedan viajar sin chocar con nada.
- Superordenadores: Computadoras muy potentes que calculan las trayectorias de las partículas y analizan la enorme cantidad de datos que se generan en los experimentos.
Curiosamente, algunas tecnologías que usamos hoy en día se desarrollaron gracias a la investigación en aceleradores. Un ejemplo muy conocido es la World Wide Web (la "web" que usamos para navegar por internet), que fue creada en el CERN para ayudar a los científicos a compartir información.
Para que un sincrotrón acelere las partículas a energías aún mayores, necesita ser más grande. Por ejemplo, el gran colisionador de electrones y positrones tenía un perímetro de 26.6 km, y el gran colisionador de hadrones (que lo reemplazó) es aún más grande y potente.
Aceleradores del futuro
Los científicos están planeando construir aceleradores aún más grandes y potentes para explorar nuevas teorías sobre el universo.
Uno de estos proyectos es el Colisionador lineal internacional, un "linac" gigante de 31 km de largo que se espera que alcance energías muy altas. Otro proyecto, el Supercolisionador superconductor, fue cancelado por su alto costo, pero habría sido un sincrotrón de 87 km de largo.
También se está investigando cómo usar láseres para acelerar partículas en distancias muy cortas, lo que podría ser una forma mucho más eficiente de construir aceleradores en el futuro.
¿Cómo se crean las partículas?
Generación de partículas para acelerar
Para que un acelerador funcione, primero necesitamos tener las partículas cargadas que queremos acelerar. Hay varias maneras de crearlas:
- Electrones: La forma más sencilla es calentar un cable muy fino (un filamento) hasta que brille. Al calentarse, algunos electrones se escapan del material. Si cerca hay una placa con una carga eléctrica opuesta, esta placa atrae y acelera los electrones. Si la placa tiene un pequeño agujero, los electrones pueden salir y formar un haz. Si no hay agujero, los electrones chocan con la placa y producen rayos X.
- Protones: Para obtener protones, necesitamos quitar el electrón de un átomo de hidrógeno (que solo tiene un protón y un electrón). Esto se puede hacer usando un haz de electrones o rayos X para chocar con gas hidrógeno. Al chocar, el átomo de hidrógeno se rompe, y podemos separar los protones y acelerarlos.
- Positrones: Los positrones son como electrones, pero con carga positiva. Se crean haciendo que rayos de luz muy energéticos (fotones) choquen contra un material pesado como el oro o el tungsteno. Esta colisión puede crear un par de partículas: un electrón y un positrón.
- Neutrones: Los neutrones no tienen carga eléctrica, así que no se pueden acelerar directamente. Para obtenerlos, se usan protones acelerados que chocan contra un material especial. La energía de los neutrones dependerá de la energía de los protones que los crearon.
Muchas de estas partículas se usan en la medicina, tanto para hacer diagnósticos (como los rayos X, TAC o PET) como para tratar enfermedades, por ejemplo, algunos tipos de tumores.
Las fuerzas que mueven las partículas: Ecuaciones de Lorentz
Todos los aceleradores funcionan gracias a las leyes del electromagnetismo. Una de las ideas más importantes es la ecuación de Lorentz, que nos dice cómo se mueven las partículas cargadas dentro de los campos eléctricos y magnéticos.
La ecuación nos dice que una partícula cargada siente una fuerza que depende de su carga, de la fuerza del campo eléctrico y de la fuerza del campo magnético.
En pocas palabras:
- Los campos eléctricos son como un "empujón" que hace que la partícula vaya más rápido o más lento.
- Los campos magnéticos son como una "curva" que hace que la partícula cambie de dirección, pero sin cambiar su velocidad. Imagina que un campo magnético es como una pared invisible que dobla el camino de la partícula.
Así, los campos eléctricos dan energía a la partícula, y los campos magnéticos la guían por el camino correcto.
Partes de un acelerador
Los aceleradores tienen algunas partes básicas:
Componentes que generan fuerzas
- Dipolos eléctricos: Son como dos placas con cargas opuestas que crean un campo eléctrico. Este campo acelera la partícula, como en los aceleradores lineales.
- Dipolos magnéticos: Son imanes que crean un campo magnético. Este campo curva la trayectoria de la partícula, haciéndola girar en círculo o en arcos, como en los ciclotrones y sincrotrones.
- Multipolos magnéticos: Son imanes más complejos que se usan para "enfocar" el haz de partículas, como si fueran lentes, para que no se dispersen y el acelerador funcione de manera más eficiente.
Blancos: Donde chocan las partículas
Para crear nuevas partículas, las partículas aceleradas tienen que chocar con algo. Ese "algo" se llama blanco.
- Blancos fijos: Las partículas aceleradas chocan contra un material que está quieto. Esto se usa, por ejemplo, en las máquinas de rayos X.
- Blancos móviles (colisionadores): En los aceleradores más grandes, se hacen chocar dos haces de partículas que viajan en direcciones opuestas. Esto duplica la energía de la colisión y permite estudiar fenómenos más interesantes.
Detectores: Los ojos de los científicos
Después de que las partículas chocan, se crean muchas partículas nuevas. Los detectores son como cámaras gigantes que "ven" estas partículas y registran lo que sucede. Son los "ojos" de los científicos.
Dos de los detectores más grandes y famosos son el CMS y el ATLAS, que están instalados en el gran colisionador de hadrones.
Un ejemplo sencillo de cómo funcionan un acelerador, un blanco y un detector juntos es un televisor antiguo. El tubo de rayos catódicos es el acelerador que lanza electrones. La pantalla del televisor, cubierta de un material que brilla, es el blanco. Cuando los electrones chocan, la pantalla brilla y crea la imagen. Nuestros ojos son los detectores que captan esa luz y envían la información a nuestro cerebro, que la interpreta.
Véase también
En inglés: Particle accelerator Facts for Kids
- Acelerador de partículas circular
- Acelerador lineal
- Betatrón
- Bevatron
- Ciclotrón
- Experimento ATLAS (ATLAS)
- Gran colisionador de hadrones (LHC)
- GSI
- Gran colisionador de electrones y positrones (LEP)
- Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN)
- Sincrociclotrón
- Sincrotrón
- Solenoide compacto de muones (CMS)
