Aceleradores de partículas

El sincrotrón es el miembro más reciente y con mayor potencia de la familia de aceleradores. Está formado por un tubo en forma de un gran anillo, por el que se desplazan las partículas; el tubo está rodeado de imanes que hacen que éstas se muevan por el centro del tubo. Las partículas entran en el tubo después de haber sido aceleradas a varios millones de electronvoltios. En el anillo son aceleradas en uno o más puntos cada vez que describen un círculo completo alrededor del acelerador. Para mantener las partículas en una órbita constante, las intensidades de los imanes del anillo se aumentan a medida que las partículas ganan energía. En un par de segundos, las partículas alcanzan energías superiores a 1 GeV y son expulsadas, bien para su análisis experimental directo o para lanzarlas contra blancos que producen diversas partículas elementales al ser golpeados por las partículas aceleradas. El principio del sincrotrón puede aplicarse a protones o electrones, aunque la mayoría de los grandes aparatos son sincrotrones de protones.

El primer acelerador que superó la barrera de 1 GeV fue el cosmotrón, un sincrotrón de protones del Brookhaven National Laboratory (Estados Unidos). El cosmotrón alcanzó energías de 2,3 GeV en 1952 y posteriormente llegó a 3 gigaelectronvoltios. A mediados de la década de 1960 había dos sincrotrones en funcionamiento que aceleraban protones regularmente hasta energías de unos 40 GeV: el sincrotrón de gradiente alterno del Brookhaven National Laboratory y un aparato similar situado cerca de Ginebra (Suiza), controlado por el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. A principios de la década de 1980, los dos mayores sincrotrones de protones eran un aparato de 500 GeV del CERN y otro similar del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), situado cerca de Batavia, en Estados Unidos. La capacidad de este último, denominado tevatrón, aumentó hasta un límite potencial de 1 TeV (un teraelectronvoltio, o TeV, equivale a un billón de voltios) en 1983 al instalar imanes superconductores, lo que lo convirtió en el acelerador más potente del mundo. Desde 1989 hasta finales de 2000 estuvo funcionando en el CERN el gran colisionador de electrones-positrones (LEP, siglas en inglés), un anillo de 27 km que consiguió acelerar electrones y positrones hasta una energía de unos 200 gigaelectronvoltios.

Un colisionador es una combinación de un acelerador y uno o más anillos de almacenamiento, que produce colisiones más energéticas entre partículas que un acelerador convencional. Este último lanza partículas aceleradas contra un blanco estacionario, mientras que un colisionador acelera dos conjuntos de partículas que se inyectan en el anillo o anillos de almacenamiento y después se hacen chocar de frente. El colisionador LEP del CERN era un colisionador con anillo de almacenamiento. Como los electrones y los positrones tienen cargas eléctricas opuestas, se almacenaban en el mismo anillo circulando en sentidos contrarios. Cuando hay que hacer colisionar partículas con la misma carga, deben ser almacenadas en anillos separados. En 1987, el Fermilab convirtió el tevatrón en un colisionador con anillo de almacenamiento e instaló un detector de tres pisos de altura para observar y medir los productos de los choques frontales entre partículas.

Aunque los colisionadores que se utilizan en la actualidad son extremadamente potentes, los físicos necesitan aparatos aún más potentes para comprobar las teorías actuales. Por desgracia, la construcción de anillos mayores es muy cara. El túnel de 27 km del LEP albergará el gran colisionador de hadrones (LHC, siglas en inglés) del CERN, que está previsto que entre en funcionamiento en 2007. En 1988, Estados Unidos empezó a planificar la construcción del supercolisionador superconductor (SSC, siglas en inglés), cerca de Waxahatchie, en el estado de Texas. El SSC iba a ser un enorme colisionador con anillo de almacenamiento, de 87 km de longitud. Sin embargo, cuando se había completado una quinta parte del túnel, el Congreso de Estados Unidos decidió cancelar el proyecto del acelerador en octubre de 1993, debido a que los costes previstos superaban los 10.000 millones de dólares.

Los aceleradores se utilizan para explorar los núcleos atómicos, lo que permite a los científicos investigar sobre la estructura y el comportamiento de los átomos. Para estudiar las partículas fundamentales que componen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a 1 GeV. Se han identificado varios cientos de estas partículas. Los físicos de altas energías confían en descubrir reglas o principios que permitan una clasificación ordenada de las partículas subnucleares. Una clasificación así sería tan útil para la ciencia nuclear como lo es la tabla periódica de los elementos para la química. Los colisionadores permiten a los científicos generar violentas colisiones entre partículas que reproducen la situación del Universo en sus primeros microsegundos de existencia. Un estudio continuado de sus hallazgos debería aumentar el conocimiento científico de la estructura del Universo.

Véase también Detectores de partículas.