¿Cómo funciona un acelerador de partículas?

Un acelerador de partículas es un dispositivo de física que utiliza campos eléctricos para acelerar las partículas cargadas a velocidades inmensas, a veces fracciones significativas de la velocidad de la luz. Las partículas comunes que se pueden encontrar dentro de los aceleradores de partículas incluyen protones y electrones, los bloques de construcción del átomo.

Un acelerador de partículas se utiliza para observar el comportamiento de partículas pequeñas a altas velocidades y energías, así como para fines más cotidianos, como generar un tipo específico de radiación electromagnética. Los aceleradores de partículas a menudo se usan para aplastar partículas entre sí a velocidades muy altas, revelando sus componentes más fundamentales. El generador de rayos X y el televisor son ejemplos comunes de aceleradores de partículas, con el mismo diseño básico que sus primos más grandes utilizados en experimentos de física de alta energía. Un acelerador de partículas se divide en una de dos categorías: circular o lineal.

En un acelerador de partículas circular, las partículas se aceleran en una trayectoria circular continua. La ventaja de esta disposición es que la partícula se puede dirigir en un círculo muchas veces, ahorrando hardware. La desventaja es que las partículas en los aceleradores circulares emiten radiación electromagnética, llamada radiación sincrotrón. Debido a que su impulso los alienta constantemente a volar en una trayectoria tangencial al círculo, se debe gastar energía continuamente para mantenerlos en el camino circular, lo que significa que los aceleradores de partículas circulares son menos eficientes. En los aceleradores grandes, la radiación sincrotrón es tan intensa que todo el acelerador debe enterrarse bajo tierra para mantener los estándares de seguridad. El acelerador de partículas Fermilab en Illinois tiene una trayectoria circular de 4 millas (6,43 km).

Los aceleradores lineales disparan partículas en línea recta a un objetivo fijo. El tubo de rayos catódicos en su televisor es un acelerador de partículas de baja energía, que dispara fotones en el rango de luz visible en una placa de vidrio, la pantalla. El flujo de fotones se redirige constantemente para llenar la pantalla con píxeles. Esta redirección ocurre lo suficientemente rápido como para que percibamos la corriente alterna de fotones como una imagen continua.

Los aceleradores lineales de alta energía, o linacs , se utilizan en aplicaciones de física. Una serie de placas atrae y repele alternativamente las partículas cargadas que se mueven a través de ellas, empujando las partículas hacia adelante cuando aún no lo han pasado, y empujándolas lejos después de que lo hayan hecho. De esta manera, se pueden usar campos eléctricos alternos para acelerar las corrientes de partículas a velocidades y energías muy altas. Los físicos usan estos aceleradores para simular condiciones exóticas, como las del centro de las estrellas o cerca del comienzo del universo. El "zoológico de partículas" descrito por el Modelo Estándar de física de partículas se descubrió de forma incremental en experimentos de aceleración de partículas. El acelerador lineal de partículas más grande es el acelerador lineal Stanford con una longitud de 2 millas (3.2 km).