CERN

CERN

(Centro Europeo de Investigación Nuclear o Laboratorio de Física de Partículas Elementales)

En 1951, un cuerpo provisional se creó con el nombre de "Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" (CERN). Esto era un consejo: un grupo de personas. En 1953 el Consejo decidió construir un laboratorio central cerca de Ginebra. En esa época, las investigaciones de física pura se concentraron en tratar de entender el interior del átomo, de ahí la palabra “nuclear”. Tal y como se ratificó por los parlamentos de los estados miembro, la convención especifica que el laboratorio es nombrado oficialmente como la “Organisation européenne pour la recherche nucléaire" ó "European Organization for Nuclear Research" (*). Sin embargo, el nombre del Consejo lo capturó la organización y es por ello que nos referimos a el en la literatura simplemente como “CERN”. Esta es también la razón por la cual el error común de confundir la “C” de CERN como la primera letra de “Centro”, pero la “C” significa “Consejo”. Muy pronto, el trabajo del laboratorio fue más allá del estudio del núcleo de los átomos o dentro de densidades de energía más y más elevado. Por lo mismo, desde un principio, hemos sido un instituto de Física de Alta Energía (High-Energy Physics), o un instituto "HEP". Debido a que esta actividad está principalmente abocada al estudio de las interacciones entre partículas, también se nos conoce como el “Laboratorio Europeo para la Física de las Partículas” y es este último título el que realmente describe el trabajo actual del laboratorio.

Hans van Ginkel, Rector de la UNU (izquierda) y el Director General de CERN Robert Aymar acuerdan una cooperación más cercana entre sus organizaciones.

¿Qué es un Acelerador de Particulas?

Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas, pudiendo ser cercanas a la de la luz. Además estos instrumentos son capaces de contener estas partículas.

Un acelerador puede ser un tubo de rayos catódicos ordinario, formando parte de las televisiones domésticas comunes o los monitores de los ordenadores, hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia.

Existen dos tipos básicos de aceleradores, por un lado los lineales y por otro los circulares. En este artículo se describirán los tipos más comunes de aceleradores de partículas. Para conocer un listado completo de los aceleradores de partículas que han existido en la historia deberá visitar el artículo: Lista de aceleradores en física de partículas.

BETATRÓN

ACELERADOR DE PARTICULAS CARGADAS, BETATRÓN

El acelerador de inducción magnética o betatrón, pertenece al grupo de máquinas ideadas para acelerar partículas cargadas hasta elevadas energías. Fue inventado en 1941 por Donald W. Kerst. El betatrón construido en 1945 aceleraba electrones hasta una energía de 108 eV.

El acelerador consistía en un tubo toroidal en el que se había hecho el vacío, y se situaba entre las piezas polares de un electroimán. Los electrones, acelerados mediante una diferencia de potencial de unos 50000 voltios por un cañón electrónico, entraban tangencialmente dentro del tubo, donde el campo magnético les hacía dar vueltas en una órbita circular de 5 m de longitud.

Los betatrones se usan para estudiar ciertos tipos de reacciones nucleares y como fuentes de radiación para el tratamiento del cáncer.

La fuerza que ejerce el campo magnético, como hemos visto ya en el espectrómetro de masas y en el ciclotrón obliga a las partículas a describir una órbita circular. El problema que surge en esta situación, es que a medida que las partículas son aceleradas, se necesita un campo magnético cada vez mayor para que las partículas describan una órbita circular de un determinado radio.

"El Ciclotrón"

CICLOTRÓN

Definición

Un ciclotrón es un acelerador de partículas que se basa en que el periodo de rotación de una partícula cargada en el interior de un campo magnético uniforme es independiente del radio y de la velocidad:

de este modo las partículas cargadas se introducen en un dispositivo con forma de "D" y son aceleradas con un voltaje alterno de frecuencia exactamente igual a wc. A cada mitad de vuelta la "D" contraria cambia de polaridad dando un nuevo "empujón" y comunicando a la partícula una energía qDV. La velocidad de la partícula crece de este modo adquiriendo un valor v = wr igual a:

Descripción

El ciclotrón consta de dos placas semicirculares huecas, que se montan con sus bordes diametrales adyacentes dentro de un campo magnético uniforme que es normal al plano de las placas y se hace el vacío. A dichas placas se les aplican oscilaciones de alta frecuencia que producen un campo eléctrico oscilante en la región diametral entre ambas. Como consecuencia, durante un semiciclo el campo eléctrico acelera los iones, formados en la región diametral, hacia el interior de uno de los electrodos, llamados Ds, donde se les obliga a recorrer una trayectoria circular mediante un campo magnético y finalmente aparecerán de nuevo en la región intermedia.El campo magnético se ajusta de modo que el tiempo que se necesita para recorrer la trayectoria semicircular dentro del electrodo sea igual al semiperiodo de las oscilaciones. En consecuencia, cuando los iones vuelven a la región intermedia, el campo eléctrico habrá invertido su sentido y los iones recibirán entonces un segundo aumento de la velocidad al pasar al interior de la otra 'D'.
Como los radios de las trayectorias son proporcionales a las velocidades de los iones, el tiempo que se necesita para el recorrido de una trayectoria semicircular es independiente de sus velocidades. Por consiguiente, si los iones emplean exactamente medio ciclo en una primera semicircunferencia, se comportarán de modo análogo en todas las sucesivas y, por tanto, se moverán en espiral y en resonancia con el campo oscilante hasta que alcancen la periferia del aparato.
Su energía cinética final será tantas veces mayor que la que corresponde al voltaje aplicado a los electrodos multiplicado por el número de veces que el ion ha pasado por la región intermedia entre las 'Ds'.

Movimiento circular

Una partícula cargada describe una semicircunferencia en un campo magnético uniforme. La fuerza sobre la partícula viene dada por el producto vectorial escalar Fm=q·v·B (q: carga, v, B: vectores velocidad y campo magnético). Su módulo es Fm=q·v·B, su dirección radial y su sentido hacia el centro de la circunferencia Aplicando la segunda ley de Newton al movimiento circular uniforme, obtenemos el radio de la circunferencia.
El tiempo que tarda en dar media vuelta es por tanto, independiente del radio de la órbita

Aceleración del ion

El ion es acelerado por el campo eléctrico existente entre las D's. Incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las D's.
Cuando el ion completa una semicircunferencia en el tiempo constante P1/2, se invierte la polaridad por lo que el ion es nuevamente acelerado por el campo existente en la región intermedia. El ion de nuevo, incrementa su energía cinética en una cantidad igual al producto de su carga por la diferencia de potencial existente entre las D's.
La energía final del ion es nqV, siendo n el número de veces que el ion pasa por la región entre las D's.

Frecuencia de resonancia del ciclotrón

Este programa, es un poco más complicado que el anterior, ya que se trata de determinar el tiempo que tarda el ion en describir una semicircunferencia. En definitiva, se trata de hallar la frecuencia de resonancia del ciclotrón.
Podemos calcular el semiperiodo, teniendo en cuenta que el tiempo que le lleva a un ion describir una semicircunferencia es el mismo e independiente de su radio.
A partir del dato de la intensidad del campo magnético, podemos obtener el valor de P1/2 teniendo en cuenta que
El campo magnético está en gauss (un gauss = 0.0001 T)
Una unidad de masa atómica vale 1.67·10-27 kg.
La carga del ion vale 1.6·10-19 C
Tenemos un sistema que guarda cierta analogía con las oscilaciones forzadas de una partícula unida a un muelle elástico. La partícula (ion) en el campo magnético tiene un periodo (o frecuencia) natural que hemos calculado anteriormente. La fuerza oscilante está representada por el potencial alterno. Cuando la frecuencia (o periodo) del potencial alterno coincida con la frecuencia (o periodo) de la partícula que describe las órbitas semicirculares, se produce el fenómeno de la resonancia. La partícula va ganando continuamente energía que suministra el potencial alterno. Cuando no coinciden, el ion va ganando energía al principio pero llega un momento en que la pierde y acaba parándose en la región intermedia entre las D's.