i accelerador de partícules | enciclopèdia.cat

OBRES

OBRES

Divulgació científica
Estadístiques
Gran enciclopèdia catalana

accelerador de partícules

substantiu masculím
Física
Esquema del centre de recerca DESY d’Hamburg (Alemanya), format pels anells d’emmagatzematge PETRA i DORIS, el sincrotró DESY i per l’accelerador de positrons PIA
© fototeca.cat
física fís i nucleònica nuc
Complex de dispositius dissenyat per accelerar partícules materials, amb les quals es provoquen col·lisions violentes.

A altes energies, l’estudi dels resultats d’aquestes col·lisions és el principal mètode d’investigació de l’estructura de la matèria i permet d’aprofundir en el coneixement de les lleis de la natura i en la composició i l’evolució de l’Univers. A baixes energies, l’accelerador presenta un ús pràctic quotidià (medicina, indústria) com a font de radiació. Tot i respondre a un esquema bàsic molt simple, la construcció d’un accelerador esdevé un repte científic i tecnològic de primer ordre, atesa la seva complexitat instrumental. Els acceleradors s’han convertit en el centre de grans laboratoris consagrats a la recerca teòrica i experimental. Bàsicament, l'objecte d’un accelerador és fornir feixos intensos de partícules amb elevada energia cinètica, provocar col·lisions entre aquestes partícules i estudiar els residus d’aquests xocs. El resultat d’una col·lisió pot ser la disgregació de les partícules en components més elementals o, d’acord amb la relativitat especial, l’alliberament d’una energia que es transformi directament en matèria. De l’estudi dels constituents elementals de partícules complexes o del comportament de noves partícules generades en el xoc, en deriva una millora del coneixement dels components bàsics de la matèria i de les forces responsables de la seva arquitectura.

Les característiques definidores d’un accelerador són quatre. En primer lloc, el tipus de partícules que s’acceleren: són sempre partícules estables carregades elèctricament (electrons, positrons, protons, antiprotons o ions estables). En segon lloc, l’energia subministrada a les partícules: indica la profunditat amb què pot ésser escorcollada la matèria. El límit d’energia assolible amb un accelerador depèn essencialment del disseny de funcionament (l’energia es mesura en eV: 1 eV és l’energia adquirida per un electró en recórrer una diferència de potencial d’un volt; en són múltiples el MeV = 106eV, el GeV = 109eV, el TeV = 1012eV). En tercer lloc, la intensitat del feix produït, mesurada en μΑ o mA. La quarta característica és la forma en què es produeix la col·lisió: cal distingir entre els acceleradors de fitó fix, en què una partícula projectil incideix sobre un fitó de matèria estacionari, i els anells de col·lisió (o emmagatzematge), en què xoquen dos feixos de trajectòries oposades. El fet d’escollir unes característiques concretes és conseqüència dels propòsits experimentals que menen al disseny de l’accelerador; els avantatges i els inconvenients de cada elecció han d’ésser valorats convenientment. Disposar d’una elevada energia de col·lisió no és sempre l’objectiu prioritari; es pot preferir estudiar xocs poc energètics que, en canvi, es produeixen molt més freqüentment o que són més simples i, per tant, més fàcilment interpretables.

Els components d’un accelerador de blanc fix són bàsicament nou. Una font de partícules: n'ha de fornir quantitats suficients i en les condicions necessàries. Els injectors i extractors: dispositiu d’entrada i sortida de l’accelerador principal. En els grans acceleradors una xarxa d’acceleradors primaris preparen les partícules, les filtren, les col·limen i les acceleren, per tal que entrin al dispositiu principal en òptimes condicions. La cambra de la trajectòria: conté el feix que s’accelera. És sotmesa al buit (10-6, 10-8 mmHg) per tal d’evitar la pèrdua de partícules per interacció amb el gas residual. El dispositiu accelerador: es redueix, essencialment, a un generador de camp elèctric que impel·leix les partícules carregades. El camp elèctric pot ser continu, induït o oscil·lant (d’alta o molt alta freqüència). Un sistema de guiatge: constreny la forma del feix i l’adapta a la forma del tub accelerador. És format pels imants desviadors. Un sistema focalitzador: Compost d’imants, impedeix la dispersió del feix i el concentra en una secció reduïda. El fitó: lloc on es produeix la col·lisió del projectil amb els nuclis atòmics o els nucleons. Un sistema eficient de blindatge: protegeix el personal de les radiacions resultants. Una xarxa de detectors: comptadors que mesuren l’energia, la direcció i el poder de penetració de les partícules resultants de la col·lisió (un ordinador processa aquestes dades limitades i en conclou les característiques dels residus), i cambres de bombolles que registren fotogràficament el pas d’una partícula carregada i que permeten una reconstrucció posterior del mecanisme de la col·lisió.

Les bases físiques d’un accelerador són dues. D’una banda, un camp elèctric accelera una partícula carregada. En recórrer una diferència de potencial qΔζV, una càrrega q incrementa la seva energia cinètica en =-pqΔζV. Sia mitjançant un qΔζV molt gran o mitjançant un nombre gran de petits increments qΔζVi s’aconsegueix de subministrar a q una elevada energia cinètica. D’altra banda, en alta concentració, l’energia pot transformar-se en massa. L’energia disponible en una col·lisió és la màxima energia que pot transformar-se en matèria. Determina la massa màxima que es pot esperar generar amb l’accelerador en qüestió. En un de fitó fix, l’energia disponible és

, essent E l’energia cinètica del projectil i m la seva massa en repòs, expressades en eV.

Hi ha tres classes principals d’acceleradors de fitó fix: els generadors d’alt voltatge, els lineals i els circulars. Els acceleradors d’alt voltatge constant es basen en l’establiment d’una elevada diferència de potencial entre els extrems del tub accelerador. En són exemple el de Cockcroft-Walton (1932) i el generador electroestàtic de Van de Graaff (1931). Aconsegueixen energies de l’ordre del MeV (tot i que la varietat tàndem assoleix 30-40 MeV) i s’usen actualment com a preacceleradors injectors d’acceleradors més potents. Els acceleradors lineals (LINAC) es componen d’un tub recte en què les partícules són impel·lides durant llur moviment per impulsos acceleradors successius. Cal distingir entre els LINAC de partícules lleugeres (e, e+) i els de partícules pesants (p, D, ions), ja que el funcionament és força diferent. Un LINAC de protons assoleix 1 GeV amb una llargada de 1.500 m. L’únic LINAC d’electrons en funcionament és l’SLAC de Stanford (1961), que amb 3 km de llarg forneix electrons de 22-30 GeV. El límit de l’energia assolible amb un LINAC és marcat per l’elevat cost de les cavitats ressonants acceleradores. Els acceleradors circulars es caracteritzen per la forma espiral o circular de les trajectòries de les partícules, amb les quals s’aconsegueix de fer passar moltes vegades el feix per uns mateixos dispositius acceleradors. El 1932 E.O. Lawrence construí el ciclotró, capaç de fornir feixos intensos d’ions. Una modificació en fou el sincrociclotró, que accelera protons fins a 1 GeV. El betatró accelera electrons mitjançant un camp elèctric induït per un camp magnètic alternant. El més útil de tots és, però, el sincrotró, en què l’estabilitat automàtica de fase assegura la sincronització del feix amb un camp elèctric oscil·lant. Bàsicament, un sincrotró és constituït per cavitats ressonants, imants dipolars desviadors que donen la forma circular a la trajectòria i imants quadripolars focalitzadors que limiten la dispersió del feix. El principi del sincrotró és vàlid tant per als electrons com per a les partícules pesants, però la diferent rellevància que hi pren la radiació de sincrotró fa que calgui descriure aquests dos casos separadament. Les energies assolibles amb els sincrotrons de protons han anat creixent progressivament: cosmotró (1952, Brookhaven National Laboratory: 3 GeV), bevatró (1954, Berkeley University: 6,2 GeV), AGS (Alternating Gradient Synchrotron) (1961, Brookhaven N.L.: 33 GeV), PS (Proton Synchrotron) (1960, CERN: 28 GeV), SPS (Super Proton Synchrotron) (1967, CERN: 400 GeV) amb 7 km de circumferència, el sincrotró del Fermilab (1972, Fermi Accelerator Laboratory: 400-500 GeV), el tevatró (1982, Fermilab: 1 TeV). Altres acceleradors destacables són el DESY de Hamburg, el Serpukhov a l’URSS, i els de Pequín i de Tokyo. Alguns sincrotrons s’han usat com a anells de col·lisió, com l’SPS del CERN, que fou remodelat per aconseguir col·lisions frontals protó-antiprotó de 270 + 270 GeV, energia elevada que permeté el descobriment dels bosons intermediaris (1983). El 1989 entrà en funcionament el LEP (Large Electron-Positron Collide) del CERN, a Ginebra, el més gran del món, amb 27 km de circumferència. Durant els anys que fou operatiu (fins el 2000), mitjançant la generació de col·lisions, s’obtingué algunes de les mesures més exactes de la intensitat de la interacció forta i de la massa i propietats de les partícules Z i W. Els resultats més importants, però, foren les mesures de les intensitats de les interaccions electromagnètica i feble a gran energia, a més de 100.000 GeV, amb uns errors inferiors a l’1%. Just abans del seu tancament s’havien trobat indicis del bosó de Higgs. Fou clausurat per ser substituït pel LHC (Large Hadron Collider) de dimensions similars la construcció del qual fou acabada el juliol de 2008.

El març de 2010 fou inaugurat a Cerdanyola del Vallès el sincrotró Alba, de 270 metres de circumferència.

Col·laboració: 
ACS
Llegir més...