Sincrotrón para niños
Un sincrotrón es un tipo especial de acelerador de partículas. Imagina que es como una pista de carreras circular muy grande donde se aceleran partículas diminutas, como los electrones o los protones, a velocidades muy altas. A diferencia de otros aceleradores, en un sincrotrón las partículas se mantienen girando en una órbita cerrada.
Los primeros sincrotrones se basaron en el ciclotrón. En un ciclotrón, se usa un campo magnético constante para curvar el camino de las partículas y un campo eléctrico constante para acelerarlas. Pero en el sincrotrón, tanto el campo magnético como el campo eléctrico cambian a medida que las partículas ganan velocidad. Esto permite que las partículas alcancen energías mucho mayores.
Los sincrotrones tienen varios usos importantes:
- Colisionadores de partículas: Aquí, dos haces de partículas se aceleran en direcciones opuestas y chocan entre sí. Los científicos estudian lo que sucede después de estas colisiones para entender de qué está hecha la materia.
- Anillos de almacenamiento: En estos sincrotrones, un haz de partículas gira sin parar a una energía fija. Se usan como fuentes de luz especial, llamada luz sincrotrón, para investigar materiales a un nivel muy pequeño, casi atómico. También se usan en medicina y para fabricar o analizar materiales.
- Pre-aceleradores (boosters): Algunos sincrotrones actúan como "impulsores" que aceleran las partículas antes de enviarlas a un sincrotrón principal o a un anillo de almacenamiento más grande.
Contenido
¿Cómo se desarrolló el sincrotrón?
Los primeros pasos: el ciclotrón
El ciclotrón fue la máquina que inspiró el sincrotrón. Fue ideado por el físico Leó Szilárd en 1929. En un ciclotrón, un campo magnético fijo dobla la trayectoria de las partículas, y un campo eléctrico que cambia de forma regular las acelera. A medida que las partículas se aceleran, su órbita se hace más grande, formando una espiral. Ernest Lawrence construyó el primer ciclotrón a finales de 1931.
Sin embargo, los ciclotrones tenían un límite. Cuando las partículas se acercaban a la velocidad de la luz, su masa aumentaba, lo que hacía que se desincronizaran con el campo eléctrico que las aceleraba. Esto impedía que alcanzaran energías muy altas.
La idea clave: estabilidad de fase
En 1934, Szilárd describió un principio muy importante llamado "estabilidad de fase". En 1945, Edwin McMillan en Estados Unidos y Vladimir Veksler en la Unión Soviética propusieron, de forma independiente, un nuevo tipo de acelerador basado en esta idea. Su propuesta era variar la frecuencia del campo eléctrico a medida que la partícula ganaba energía. De esta manera, las partículas siempre recibían la cantidad correcta de energía, lo que mantenía el haz estable y las partículas viajando a la velocidad adecuada.
Usando este principio, el equipo de Lawrence transformó el ciclotrón de Berkeley en un sincrociclotrón en 1946. Esta máquina logró acelerar protones a 740 MeV (megaelectronvoltios) e iones de Helio a 920 MeV.
El nacimiento del sincrotrón moderno
En 1949, McMillan construyó el primer sincrotrón de electrones. Logró mantener los electrones en una órbita fija y acelerarlos hasta 300 MeV, aumentando el campo magnético al mismo tiempo que la velocidad de los electrones.
El primer sincrotrón de protones fue el Cosmotrón, diseñado en 1948 y puesto en marcha en 1953 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, alcanzando 3.3 GeV (gigaelectronvoltios).
En 1952, se descubrió una forma de hacer los sincrotrones aún más eficientes: usar imanes que alternan su fuerza para enfocar el haz de partículas. Esta idea fue incorporada al diseño del sincrotrón del CERN, que en 1959 comenzó a funcionar a 30 GeV.
En las décadas siguientes, se construyeron sincrotrones cada vez más grandes y potentes, como el Tevatron en Fermilab y el LHC en el CERN, que se usan para estudiar las partículas más pequeñas de la materia.
De colisionadores a fuentes de luz
Aunque la energía máxima de los sincrotrones está limitada por la radiación que emiten las partículas al girar, los científicos se dieron cuenta de que esta radiación, especialmente la radiación ultravioleta y los rayos X, era muy útil. Así, en los años 80, aparecieron los primeros sincrotrones diseñados específicamente para producir esta luz. Algunos antiguos colisionadores de partículas, como el sincrotrón de Stanford, fueron transformados para este nuevo propósito.
A principios del siglo XXI, se empezaron a diseñar sincrotrones aún más avanzados, que producen una luz muy brillante y enfocada. El laboratorio MAX IV en Suecia fue el primero de este tipo.
¿De qué partes se compone un sincrotrón?
Un sincrotrón es una máquina compleja con varias partes clave:
Fuente de partículas
Para empezar, se necesitan las partículas.
- Los electrones suelen obtenerse calentando un material o usando luz sobre él.
- Los positrones (que son como electrones con carga positiva) se producen haciendo chocar electrones acelerados contra un metal.
- Los protones se extraen de un gas que se ha convertido en plasma.
- Los antiprotones se crean haciendo chocar protones contra un metal pesado.
Aceleradores auxiliares: LINACs y boosters
Los sincrotrones no pueden acelerar partículas desde cero. Por eso, la aceleración se hace en varias etapas:
- Primero, las partículas se aceleran en un acelerador lineal (LINAC).
- Luego, pasan a un sincrotrón más pequeño llamado preacelerador o booster, donde ganan más energía.
- Finalmente, las partículas aceleradas se inyectan en el sincrotrón principal o en el anillo de almacenamiento, donde giran a una energía constante.
Por ejemplo, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) usa tres sincrotrones auxiliares antes de que los protones lleguen al anillo principal.
Cavidades de radiofrecuencia
Estas son estructuras huecas donde se aplica un voltaje que cambia rápidamente. Este voltaje es el que da el "empujón" a las partículas para que aceleren. En un acelerador como el booster, las partículas ganan energía cada vez que pasan por estas cavidades. En los anillos de almacenamiento, las cavidades solo reponen la energía que las partículas pierden al emitir radiación. También ayudan a mantener las partículas agrupadas en "paquetes" que viajan a la misma velocidad.
Elementos magnéticos
Los sincrotrones modernos usan diferentes tipos de imanes:
- Dipolos (o imanes curvadores): Son los encargados de doblar la trayectoria del haz de partículas para que sigan la órbita circular.
- Cuadrupolos y sextupolos: Estos imanes se usan para mantener el haz de partículas enfocado, como si fueran lentes. Ayudan a que las partículas no se dispersen y se mantengan juntas.
En los sincrotrones que producen luz, los imanes se organizan de formas especiales para conseguir un haz de radiación lo más brillante posible. También se usan dispositivos magnéticos especiales llamados wigglers y onduladores. Estos hacen que los electrones sigan un camino ondulado, lo que produce luz sincrotrón con propiedades muy específicas, útiles para diferentes experimentos.
Líneas de luz sincrotrón
Cuando las partículas pasan por los imanes curvadores, wigglers y onduladores, emiten radiación en una amplia gama de colores (longitudes de onda), incluyendo ultravioleta y rayos X. Las líneas de luz son como "túneles" al vacío que transportan esta radiación desde el sincrotrón hasta los lugares donde se realizan los experimentos. Incluyen espejos para enfocar la luz y monocromadores para seleccionar solo ciertas longitudes de onda, adaptando la luz a cada tipo de estudio.
¿Para qué se usa un sincrotrón?
Estudio de partículas subatómicas
Durante mucho tiempo, el uso principal de los sincrotrones fue estudiar las partículas más pequeñas que forman la materia. En las máquinas más antiguas, las partículas aceleradas chocaban contra un material fijo. En los sincrotrones más modernos y de alta energía, como el LHC del CERN o el Tevatron de Fermilab, se hacen chocar dos haces de partículas que viajan en direcciones opuestas. Esto permite que toda la energía de la colisión se use para crear nuevas partículas.
Existen dos tipos principales de colisionadores:
- Colisionadores de hadrones: Usan partículas como protones y antiprotones. Son muy buenos para descubrir nuevas partículas.
- Colisionadores de leptones: Usan partículas como electrones y positrones. Son útiles para estudiar con mucha precisión las propiedades de las partículas ya conocidas.
Estudio de materiales
La luz sincrotrón es muy intensa, concentrada y coherente (como la luz láser), lo que la hace perfecta para investigar las propiedades de todo tipo de materiales, tanto orgánicos (como proteínas) como inorgánicos (como metales o minerales). Se usan técnicas como la espectroscopía (para ver cómo la luz interactúa con la materia), la difracción (para estudiar la estructura de los materiales) y la microscopía (para ver detalles muy pequeños).
Aunque al principio la luz sincrotrón se obtenía de forma "secundaria" en los colisionadores, la mayoría de los sincrotrones actuales están diseñados solo para producir esta luz. Estos se conocen como sincrotrones de "segunda" o "tercera generación", dependiendo de lo concentrado que sea el haz de partículas. La mayoría de estos sincrotrones tienen un diámetro de unos 100 metros y funcionan a energías de unos pocos GeV. El más grande, PETRA, tiene más de dos kilómetros de circunferencia. En el siglo XXI, incluso se han logrado construir sincrotrones compactos que caben en una habitación.
Véase también
