Tevatrón para niños
El Tevatrón fue un gran acelerador de partículas circular que se encontraba en el Fermilab, un laboratorio de física en Batavia, Illinois (Estados Unidos). Estuvo funcionando hasta el año 2011.
Era un tipo de acelerador llamado sincrotrón que impulsaba protones y antiprotones en un anillo de 6.3 kilómetros de largo. Los aceleraba hasta energías de casi 1 TeV (tera-electronvoltio), de ahí su nombre. Un TeV es una cantidad de energía muy, muy grande, ¡mil millones de veces un kiloelectronvoltio!
El Tevatrón se construyó en el mismo túnel que otro acelerador anterior del Fermilab. Se terminó en 1983 y costó unos 120 millones de dólares. A lo largo de los años, se le hicieron mejoras importantes, como la adición de un anillo llamado "inyector principal" entre 1994 y 1999, que costó 290 millones de dólares.
En 1987, el Tevatrón logró sus primeras colisiones de partículas a la energía para la que fue diseñado. Esto lo convirtió en el acelerador más potente del mundo en ese momento, hasta que el gran colisionador de hadrones (LHC) comenzó a funcionar con energías aún mayores.
Entre los logros científicos más importantes del Tevatrón, se destaca el descubrimiento del quark cima en 1995 y el descubrimiento del neutrino tauónico en el año 2000. En 2007, también se logró medir la masa del quark cima con mucha precisión.
Contenido
Historia del Tevatrón
¿Cómo se construyó el Tevatrón?
La historia del Tevatrón comenzó mucho antes de su finalización. El 1 de diciembre de 1968, se colocó la primera piedra para un acelerador lineal. Poco después, el 3 de octubre de 1969, comenzó la construcción del Anillo Principal del Fermilab, que tenía 6.3 kilómetros de circunferencia.
En los años siguientes, se fueron probando y mejorando las diferentes partes del acelerador. Por ejemplo, el 1 de diciembre de 1970, se logró el primer haz de partículas de 200 MeV (mega-electronvoltios). Luego, el 20 de mayo de 1971, el "Booster" (un acelerador más pequeño) logró un haz de 8 GeV (giga-electronvoltios). Finalmente, el 30 de junio de 1971, un haz de protones recorrió por primera vez todo el sistema de aceleradores, incluyendo el Anillo Principal.
La idea de usar imanes superconductores
En 1971, antes de que el Anillo Principal estuviera terminado, el director del laboratorio, Robert R. Wilson, sugirió una idea revolucionaria: usar imanes superconductores para alcanzar energías aún mayores. Propuso que estos nuevos imanes podrían instalarse en el mismo túnel que el Anillo Principal. Esta idea fue el punto de partida para el proyecto del Tevatrón. Entre 1973 y 1979, se investigó y desarrolló esta tecnología mientras se seguía mejorando el Anillo Principal.
Aumentando la energía
A lo largo de los años 70, la energía de los haces de partículas fue aumentando constantemente. En 1972, se alcanzaron los 20 GeV, luego los 53 GeV y finalmente los 100 GeV. El 1 de marzo de 1972, el acelerador logró su energía de diseño de 200 GeV. Para finales de 1973, ya operaba a 300 GeV de forma regular.
El 14 de mayo de 1976, el Fermilab llevó sus protones hasta los 500 GeV. Este logro fue tan importante que se introdujo una nueva unidad de energía: el teraelectronvoltio (TeV), que equivale a 1000 GeV.
La construcción del Tevatrón
En 1981, el Anillo Principal se cerró para instalar los nuevos imanes superconductores debajo de él. El Anillo Principal siguió siendo importante, ya que "inyectaba" partículas al Tevatrón hasta que se completó el Inyector Principal en el año 2000. El 3 de julio de 1983, el Tevatrón, conocido entonces como el "Duplicador de Energía", produjo su primer haz acelerado a 512 GeV.
Su energía inicial de 800 GeV se alcanzó el 16 de febrero de 1984. El 21 de octubre de 1986, la aceleración en el Tevatrón se elevó a 900 GeV, lo que permitió la primera colisión de protón-antiprotón a 1.8 TeV el 30 de noviembre de 1986.
El Inyector Principal, que reemplazó al Anillo Principal, fue una de las mejoras más grandes. Se construyó durante seis años a partir de 1993 y costó 290 millones de dólares. El 1 de marzo de 2001, el Tevatrón II, como se le llamó después de esta mejora, comenzó a funcionar, y el haz de partículas pudo alcanzar una energía de 980 GeV.
El Tevatrón dejó de funcionar el 30 de septiembre de 2011. Para ese entonces, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN ya había superado al Tevatrón en energía y en la cantidad de colisiones que podía producir.
¿Cómo funcionaba el Tevatrón?
El Tevatrón aceleraba las partículas en varias etapas, como una carrera de relevos:
- Primera etapa: Preacelerador
* Un preacelerador llamado "Cockcroft-Walton" tomaba gas de hidrógeno y lo convertía en iones negativos (átomos de hidrógeno con un electrón extra). Luego, los aceleraba usando electricidad.
- Segunda etapa: Acelerador lineal (Linac)
* Estos iones pasaban por un tubo de 150 metros de largo, donde eran impulsados por campos eléctricos que cambiaban rápidamente. Aquí, los iones alcanzaban una energía de 400 MeV. Después, pasaban por una lámina de carbono que les quitaba los electrones, dejando solo los protones.
- Tercera etapa: Booster
* Los protones entraban en el "Booster", un pequeño sincrotrón circular. Daban vueltas hasta 20,000 veces, aumentando su energía hasta unos 8 GeV.
- Cuarta etapa: Inyector Principal
* Desde el Booster, las partículas pasaban al "Inyector Principal". Este anillo era muy versátil: * Podía acelerar protones hasta 150 GeV. * Producía protones de 120 GeV para crear antiprotones. * Aceleraba antiprotones hasta 120 GeV. * Inyectaba los protones o antiprotones en el Tevatrón.
- Creación de antiprotones
* Los antiprotones se creaban en la "Fuente de Antiprotones". Para esto, los protones de 120 GeV del Inyector Principal chocaban contra un material de níquel. Esta colisión producía muchas partículas, incluyendo antiprotones, que luego se recogían y almacenaban en un "anillo acumulador". Desde allí, los antiprotones podían pasar al Inyector Principal.
- Quinta etapa: Tevatrón
* Finalmente, el Tevatrón tomaba las partículas del Inyector Principal y las aceleraba hasta 980 GeV. Los protones y antiprotones se aceleraban en direcciones opuestas. Luego, se hacían chocar en dos grandes detectores, llamados CDF y DØ, a una energía total de 1.96 TeV.
Imanes superconductores y enfriamiento
Para mantener las partículas en su camino circular, el Tevatrón usaba unos 774 imanes superconductores muy potentes. Estos imanes estaban hechos de niobio y titanio y se enfriaban con helio líquido a temperaturas extremadamente bajas. Esto permitía que los imanes produjeran un campo magnético muy fuerte (4.2 teslas) con menos energía. El campo magnético aumentaba durante unos 20 segundos mientras las partículas se aceleraban. También se usaban otros 240 imanes para "enfocar" el haz de partículas.
El Tevatrón fue el primer gran acelerador en usar esta tecnología de imanes superconductores. Gracias a esto, los imanes eran mucho más ligeros y consumían menos energía que los imanes tradicionales.
El 27 de septiembre de 1993, el sistema de enfriamiento del Tevatrón fue reconocido como un "Hito Histórico Internacional de Ingeniería Mecánica". Era el sistema de baja temperatura más grande del mundo cuando se terminó en 1978.
Descubrimientos importantes del Tevatrón
El Tevatrón fue clave para confirmar la existencia de varias partículas subatómicas que los científicos habían predicho.
- El quark cima: En 1995, los equipos de los experimentos CDF y DØ anunciaron el descubrimiento del top quark (o quark cima). En 2007, se midió su masa con una precisión muy alta.
- Oscilaciones de mesones Bs: En 2006, el experimento CDF logró la primera medición de las "oscilaciones Bs", que son cambios en un tipo de partícula llamada mesón Bs.
- Bariones Sigma y Xi: También se observaron nuevos tipos de partículas llamadas bariones sigma y bariones Xi.
- El bosón de Higgs: En julio de 2012, justo antes de un gran anuncio del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los científicos del Tevatrón anunciaron sus propios hallazgos sobre el bosón de Higgs. Aunque no pudieron confirmarlo por completo, sus datos sugerían fuertemente la existencia de esta partícula en un rango de masa específico. Cuando el LHC hizo su anuncio dos días después con datos más precisos, la combinación de ambos resultados proporcionó una fuerte evidencia de la existencia del bosón de Higgs.
Véase también
En inglés: Tevatron Facts for Kids
