(El experimento ALICE en el Gran Colisionador de Hadrones estudia colisiones de iones pesados en busca de una sopa de quarks y gluones similar al estado del universo primitivo)
Los físicos de partículas tienen el mejor trabajo: romper partículas subatómicas juntas a una velocidad increíble para desentrañar los misterios del universo.
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Los destructores de átomos , o aceleradores de partículas, colisionan partículas con átomos u otras partículas subatómicas a una velocidad cercana a la de la luz , creando nuevas partículas y radiación que informan a los científicos sobre los componentes básicos de la materia.
“Nuestro objetivo siempre es comprender cómo se forma el mundo”, dijo Roger Dixon, jefe de la división de aceleradores del Laboratorio Nacional de Aceleradores de Fermi (Fermilab) en Batavia, Illinois.
Cuando las personas hablan sobre la destrucción de átomos, generalmente se refieren a los aceleradores de partículas gigantes en los laboratorios de física subterráneos de todo el mundo. Pero, de hecho, algunos televisores son incluso aceleradores de partículas. El término “el tubo” recibe su nombre de los tubos de rayos catódicos, tubos de vacío que disparan un haz de electrones a una pantalla fluorescente. Los electrones chocan con las moléculas de fósforo en la pantalla, produciendo un punto de luz o píxel.
Los destructores de átomos gigantes operan por un principio similar, pero a una escala mucho mayor. Las partículas viajan mucho más rápido y las colisiones producen más partículas subatómicas y radiación, convirtiendo la energía en masa, como lo describe la famosa ecuación E = mc ^ 2 de Einstein.
(Esta foto muestra el túnel del Gran Colisionador de Hadrones, donde los haces de partículas pasan a través de los tubos centrales antes de chocar entre sí)
Los aceleradores de partículas toman dos formas: los aceleradores lineales envían partículas en línea recta a su objetivo, mientras que los aceleradores circulares, o sincrotrones, envían partículas azotando alrededor de una pista circular.
Los principales jugadores
El acelerador más grande y poderoso del mundo es el sincrotrón de Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN, en Ginebra. Enterrado a 574 pies (175 metros) debajo de la frontera franco-suiza, el LHC serpentea 17 millas (27 kilómetros) de circunferencia. Estar bajo tierra protege al acelerador de la radiación cósmica, que puede producir partículas perdidas que confunden los experimentos.
Dentro del LHC, dos haces de protones azotan el túnel en direcciones opuestas, aceleradas por muchas cavidades de radiofrecuencia. Las cavidades producen un campo eléctrico en la misma dirección que las partículas, dándoles a las partículas una patada de energía a medida que se alejan, dijo Myers, al igual que un padre empujando a un niño en una rotonda del patio de recreo.
Cada haz viaja en su propio tubo, que se mantiene a un vacío ultra alto (presión de aire más baja que la superficie de la luna). Los haces son dirigidos por un electroimán superconductor de 8,3 teslas, que es aproximadamente 100,000 veces la fuerza del campo magnético de la Tierra. Los imanes se enfrían a una temperatura de 2 Kelvin, o -456 Fahrenheit (-271 C) utilizando el sistema criogénico más grande del mundo.
Cuando los protones acelerados chocan, los detectores “ven” las partículas resultantes y la radiación que producen.
Los científicos usan el LHC para recrear las condiciones inmediatamente posteriores al Big Bang. En julio de 2012, el LHC atrajo la atención internacional cuando los científicos informaron sobre el descubrimiento del bosón de Higgs, la partícula pensada para explicar cómo otras partículas obtienen su masa.
“No estaríamos aquí, no tendríamos masa, no existiríamos sin esta partícula”, dijo Steve Myers, director de aceleradores y tecnología del CERN. Descubrir que era “como buscar una aguja en un millón de pajares”, dijo Myers.
El LHC se cerró en 2013 para actualizar su energía del haz, y está programado para reabrir a principios de 2015.
En los Estados Unidos, Fermilab alberga el segundo acelerador de partículas más grande del mundo, el Tevatron. Antes de que se cerrara en 2011, el Tevatron fue el primer acelerador en utilizar electroimanes superconductores, y se utilizó para descubrir una nueva partícula subatómica conocida como el quark top.
El inyector principal de Fermilab al Tevatron todavía está operativo, y los científicos lo usan para enviar un haz de neutrinos, o partículas fantasmales que rara vez interactúan con la materia normal, a una mina subterránea en Minnesota, a 455 millas (732 km) de distancia. El inyector principal de Fermilab es parte de una cadena de aceleradores de partículas conectados que (solían conducir) al Tevatron. Acelera protones y antiprotones que se alimentan al Tevatron.
En el futuro, los ingenieros de Fermilab esperan hacer un acelerador lineal que use cavidades de radiofrecuencia superconductoras, que son cámaras metálicas que producen los campos eléctricos necesarios para acelerar las partículas a altas energías.
El único colisionador de partículas de EE. UU. Actualmente en funcionamiento es el colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en el Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, NY
Estas máquinas “no son más que linternas que se están volviendo cada vez más potentes”, dijo Dixon, jefe de la división de aceleradores de Fermilab. “Cuando haces que la energía sea cada vez más alta, ves detalles cada vez más finos de la materia y cómo se junta”, dijo Dixon.
Otros aceleradores
Si el LHC y el Tevatron son los transbordadores espaciales del mundo de los aceleradores, que operan en el rango de tera (billones) de electronvoltios, entonces los aceleradores giga (mil millones) de electronvoltios (GeV) son los aviones de pasajeros.
Tome el acelerador lineal Stanford, o SLAC, en Menlo Park, California. Con 2 millas (3.2 km) de largo, el acelerador lineal principal de SLAC es el más largo del mundo. Produce electrones utilizando una fuente de iones de radiofrecuencia para acelerar electrones y positrones (los equivalentes de antimateria de los electrones) hasta 50 GeV.
Pero estos aceleradores están limitados por el voltaje que se puede aplicar antes de sufrir una falla eléctrica. Ahora, los investigadores de la Universidad de Texas en Austin y en otros lugares están desarrollando un tipo de acelerador completamente diferente, que puede caber en una mesa.
(Gregory McLaskey examina un modelo de mesa de una falla en UC Berkeley)
Estos aceleradores de mesa pulsan un láser en el gas helio para crear plasma, un estado de materia de alta energía en el que los átomos son despojados de sus electrones. “Un plasma, por definición, ya está descompuesto y tan dañado como puede estar un material, y por lo tanto no tiene límite de descomposición”, dijo el físico Michael Downer, líder del equipo de UT Austin.
Justo cuando un barco deja una estela en el agua, el rayo láser deja una estela en el plasma y los electrones se aceleran al “surfear” en esta estela. Usando el sistema de Downer, los electrones se pueden aumentar a 2 GeV, una energía que requeriría la longitud de dos campos de fútbol con aceleradores convencionales.
A energías mucho más bajas, los aceleradores de partículas se usan comúnmente en medicina. La terapia de partículas se usa para tratar el cáncer, utilizando haces de protones de alta energía u otras partículas.
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