En las profundidades de la frontera de Francia y Suiza se encuentra el experimento más masivo y ambicioso jamás realizado por la humanidad. Se trata de uno de los aceleradores de partículas que utiliza un anillo de 17 millas de largo revestido con potentes imanes para acelerar las partículas cargadas hasta casi la velocidad de la luz y hacerlas chocar entre sí a tremendas energías, a menudo lo suficientemente altas como para replicar las condiciones encontradas cuando el universo estaba en un estado denso caliente inmediatamente después del Big Bang.
El LHC representa solo uno de los más de 30.000 aceleradores de partículas que se calcula que están en funcionamiento en la actualidad.
Usando estas máquinas, los investigadores han desbloqueado la física fundamental que subyace al universo, revelando cómo funciona la física incluso en los niveles más fundamentales.
Durante el siglo XX, los aceleradores de partículas se convirtieron en partes clave de la física de partículas, o de alta energía, y la física nuclear, existiendo incluso antes de que las dos disciplinas se hubieran diversificado.
Lo que puede sorprender es que los aceleradores de partículas no siempre fueron esfuerzos titánicos que requirieron la colaboración entre varios países.
De hecho, algunos de los primeros predecesores del LHC eran lo suficientemente pequeños como para caber en pequeñas cámaras ubicadas debajo de las calles de un Liverpool en el Reino Unido devastado por la guerra, y antes, incluso en un banco de laboratorio.
La necesidad de aceleradores de partículas más grandes fue el resultado del éxito de estos dispositivos. A medida que desbloqueaban la física de un nivel de energía, se hizo necesario pasar al siguiente nivel, lo que requería máquinas cada vez más grandes, poderosas y costosas.
¿Qué hace un acelerador de partículas?
El principio básico que informa a los aceleradores de partículas surge de la ecuación de Einstein E=mc², que les dice a los físicos que la materia y la energía son intercambiables.
Usando este principio, los científicos usan estas máquinas para acelerar partículas hasta casi la velocidad de la luz, también conocidas como velocidades relativistas, porque a tales velocidades se manifiestan los efectos de la relatividad especial.
Después de acelerar estos haces de partículas, los investigadores los aplastan, razón por la cual los aceleradores de partículas también se denominan a menudo colisionadores de partículas o aplastadores de átomos, y la energía de la colisión se transforma en partículas masivas que no se ven en condiciones normales.
Estas partículas suelen tener una vida increíblemente corta, no duran más de fracciones de segundo, y no se pueden observar directamente, pero se pueden medir con un equipo de detección sofisticado.
La descomposición de estas partículas puede revelar una cadena de otras partículas que rara vez se observan en los niveles de energía cotidianos. Pero esto no solo revela las complejidades del mundo subatómico y los ocupantes del zoológico de partículas.
La colisión de partículas a altas energías también puede revelar las condiciones que existían cuando el universo era billones de billones de billones de grados más caliente y más denso de lo que es hoy, revelando así el proceso por el cual evolucionó el cosmos mismo.
Diferentes tipos de aceleradores y cómo funcionan
Los aceleradores de partículas actuales se dividen en dos tipos principales: aceleradores circulares y aceleradores lineales, a veces llamados linacs.
Los tubos a través de los cuales se aceleran las partículas son aspiradoras con un entorno libre de polvo que es crucial para garantizar que los haces de partículas puedan viajar sin obstáculos.
Los electroimanes están espaciados a lo largo de esta tubería evacuada, creando campos eléctricos que, al cambiar entre positivo y negativo, crean ondas de radio que dan a las partículas que viajan desde una fuente de partículas un golpe de aceleración y aseguran que se coloquen en racimos.
Si bien ambos tipos de aceleradores utilizan potentes campos eléctricos para acelerar las partículas y campos magnéticos para dirigir las partículas, la principal diferencia entre ellos es que los aceleradores lineales golpean objetivos estacionarios con haces de partículas, mientras que los aceleradores circulares también pueden utilizar objetivos fijos o pueden golpear dos haces. De mover partículas juntas.
Este aspecto de los colisionadores circulares los hace, en principio, capaces de crear condiciones de mayor energía creadas a partir de la energía cinética de dos haces de partículas que viajan a velocidades cercanas a la luz.
Aceleradores de partículas en medicina e industria
Los aceleradores de partículas claramente han recorrido un largo camino desde su creación, pero estas máquinas también se han movido de los laboratorios, criptas y túneles subterráneos y, fundamentalmente, de las manos de los físicos nucleares y de partículas.
Los aceleradores de partículas ahora se utilizan en una amplia gama de industrias, y el campo médico, en particular, encuentra los aceleradores particularmente útiles. El Departamento de Energía de los estados unidos (D0E), decenas de millones de pacientes reciben diagnósticos y terapias basados en aceleradores cada año en hospitales y clínicas de todo el mundo.
El uso de aceleradores de partículas en medicina se divide en dos categorías distintas, la primera de las cuales es la producción de radioisótopos que emiten rayos X, rayos gamma o positrones electrones con carga positiva para el diagnóstico y la terapia médica.
El segundo uso principal de los aceleradores en medicina es como fuente de haces de electrones, protones y partículas cargadas más pesadas para el tratamiento, y los aceleradores lineales de microondas proporcionan un método altamente efectivo para tratar a pacientes con cáncer.
Los aceleradores que producen haces de electrones también se pueden utilizar en la esterilización médica, mientras que los que aceleran partículas más pesadas han encontrado aplicaciones en la creación de articulaciones artificiales.
El DoE también agrega que actualmente cientos de procesos industriales dependen de los aceleradores de partículas, desde aplicaciones tan mundanas como la producción de plástico para envoltorios retráctiles y la fabricación de chips de computadora.
El futuro de los aceleradores de partículas
En 2040, el HL-LHC dejará de operar y ya hay planes en marcha para reemplazar este acelerador. El estudio Future Circular Collider (FCC) del CERN tiene como objetivo sugerir diseños e infraestructura para la próxima generación de aceleradores de partículas.
Esto impulsará la energía y la intensidad de los futuros colisionadores con el objetivo de CERN de crear una máquina que alcance los 100 TeV. E irónicamente, los aceleradores de partículas pueden estar a punto de cerrar el círculo.
Cada vez más, los investigadores están volviendo al uso de aceleradores de partículas de sobremesa. Incluso se ha comenzado a trabajar en aceleradores de partículas que pueden caber en un solo chip de computadora.
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