Sincrotrón

Un sincrotrón es un tipo particular de acelerador cíclico de partículas , descendiente del ciclotrón , en el que el haz de partículas aceleradas viaja por una trayectoria fija de bucle cerrado. La fuerza del campo magnético que dobla el haz de partículas en su trayectoria cerrada aumenta con el tiempo durante el proceso de aceleración, sincronizado con la energía cinética creciente de las partículas. ^[1]

El sincrotrón es uno de los primeros conceptos de acelerador que permitió la construcción de instalaciones a gran escala, ya que la flexión, el enfoque del haz y la aceleración se pueden separar en diferentes componentes. Los aceleradores de partículas modernos más potentes utilizan versiones del diseño de sincrotrón. El acelerador de tipo sincrotrón más grande, también el acelerador de partículas más grande del mundo, es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) de 27 kilómetros de circunferencia (17 millas) cerca de Ginebra, Suiza, construido en 2008 por la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN). ^[2] Puede acelerar haces de protones a una energía de 7 teraelectronvoltios  ( TeV o 10 ¹² eV).

El principio del sincrotrón fue inventado por Vladimir Veksler en 1944. ^[3] Edwin McMillan construyó el primer sincrotrón de electrones en 1945, llegando a la idea de forma independiente, habiéndose perdido la publicación de Veksler (que sólo estaba disponible en una revista soviética , aunque en inglés). ^{[4] [5] [6]} El primer sincrotrón de protones fue diseñado por Sir Marcus Oliphant ^{[5] [7]} y construido en 1952. ^[5]

Los sincrotrones de gran tamaño suelen tener un acelerador lineal (linac) para dar a las partículas una aceleración inicial y un sincrotrón de menor energía, que a veces se denomina amplificador, para aumentar la energía de las partículas antes de que se inyecten en el anillo de sincrotrón de alta energía. En la actualidad se utilizan varios tipos especializados de máquinas de sincrotrón:

• Un colisionador es un tipo de colisionador en el que, en lugar de que las partículas golpeen un objetivo estacionario, las partículas que viajan en dos anillos que circulan en sentido contrario chocan de frente, lo que hace posibles colisiones de mayor energía.
• Un anillo de almacenamiento es un tipo especial de sincrotrón en el que la energía cinética de las partículas se mantiene constante.
• Una fuente de luz de sincrotrón es una combinación de distintos tipos de aceleradores de electrones, que incluyen un anillo de almacenamiento en el que se genera la radiación electromagnética deseada. Esta radiación se utiliza luego en estaciones experimentales ubicadas en diferentes líneas de luz . Las fuentes de luz de sincrotrón en su conjunto a veces se denominan "sincrotrones", aunque esto es técnicamente incorrecto.

El sincrotrón evolucionó a partir del ciclotrón , el primer acelerador cíclico de partículas. Mientras que un ciclotrón clásico utiliza tanto un campo magnético guía constante como un campo electromagnético de frecuencia constante (y funciona en aproximación clásica ), su sucesor, el ciclotrón isócrono , funciona mediante variaciones locales del campo magnético guía, adaptándose a la creciente masa relativista de las partículas durante la aceleración. ^[8]

En un sincrotrón, esta adaptación se realiza mediante la variación de la intensidad del campo magnético en el tiempo, en lugar de en el espacio. Para partículas que no están cerca de la velocidad de la luz , la frecuencia del campo electromagnético aplicado también puede cambiar para seguir su tiempo de circulación no constante. Al aumentar estos parámetros en consecuencia a medida que las partículas ganan energía, su trayectoria de circulación puede mantenerse constante a medida que se aceleran. Esto permite que la cámara de vacío para las partículas sea un toro grande y delgado , en lugar de un disco como en los diseños de aceleradores compactos anteriores. Además, el perfil delgado de la cámara de vacío permitió un uso más eficiente de los campos magnéticos que en un ciclotrón, lo que permitió la construcción rentable de sincrotrones más grandes. ^{[ cita requerida ]}

Mientras que los primeros sincrotrones y anillos de almacenamiento como el Cosmotron y ADA usaban estrictamente la forma toroidal, el principio de enfoque fuerte descubierto independientemente por Ernest Courant et al. ^{[9] [10]} y Nicholas Christofilos ^[11] permitió la separación completa del acelerador en componentes con funciones especializadas a lo largo de la trayectoria de la partícula, dando forma a la trayectoria en un polígono de esquinas redondeadas. Algunos componentes importantes son dados por cavidades de radiofrecuencia para aceleración directa, imanes dipolares ( imanes de flexión ) para la desviación de partículas (para cerrar la trayectoria) e imanes cuadrupolares / sextupolares para el enfoque del haz. ^{[ cita requerida ]}

La combinación de campos magnéticos de guía dependientes del tiempo y el principio de enfoque fuerte permitieron el diseño y el funcionamiento de instalaciones de aceleradores modernos a gran escala, como colisionadores y fuentes de luz de sincrotrón . Las secciones rectas a lo largo del camino cerrado en tales instalaciones no solo son necesarias para cavidades de radiofrecuencia, sino también para detectores de partículas (en colisionadores) y dispositivos de generación de fotones, como wigglers y onduladores (en fuentes de luz de sincrotrón de tercera generación). ^{[ cita requerida ]}

La energía máxima que puede impartir un acelerador cíclico está limitada típicamente por la fuerza máxima de los campos magnéticos y el radio mínimo ( curvatura máxima ) de la trayectoria de la partícula. Por lo tanto, un método para aumentar el límite de energía es utilizar imanes superconductores , que no están limitados por la saturación magnética . Los aceleradores de electrones / positrones también pueden estar limitados por la emisión de radiación de sincrotrón , lo que da como resultado una pérdida parcial de la energía cinética del haz de partículas. La energía límite del haz se alcanza cuando la energía perdida por la aceleración lateral requerida para mantener la trayectoria del haz en un círculo es igual a la energía añadida en cada ciclo. ^{[ cita requerida ]}

Los aceleradores más potentes se construyen utilizando trayectorias de radio mayor y utilizando cavidades de microondas más numerosas y más potentes. Las partículas más ligeras (como los electrones) pierden una fracción mayor de su energía cuando se desvían. En la práctica, la energía de los aceleradores de electrones / positrones está limitada por esta pérdida de radiación, mientras que esto no juega un papel significativo en la dinámica de los aceleradores de protones o iones . La energía de dichos aceleradores está limitada estrictamente por la fuerza de los imanes y por el costo. ^{[ cita requerida ]}

A diferencia de un ciclotrón, los sincrotrones no pueden acelerar partículas a partir de energía cinética cero; una de las razones obvias para esto es que su trayectoria cerrada de partículas sería cortada por un dispositivo que emitiera partículas. Por lo tanto, se desarrollaron esquemas para inyectar haces de partículas preaceleradas en un sincrotrón. La preaceleración puede realizarse mediante una cadena de otras estructuras de aceleradores como un acelerador lineal , un microtrón u otro sincrotrón; todos estos a su vez necesitan ser alimentados por una fuente de partículas que comprende una fuente de energía simple de alto voltaje, típicamente un generador Cockcroft-Walton . ^{[ cita requerida ]}

Partiendo de un valor inicial adecuado determinado por la energía de inyección, se aumenta la intensidad de campo de los imanes dipolares . Si las partículas de alta energía se emiten al final del procedimiento de aceleración, por ejemplo hacia un objetivo o hacia otro acelerador, la intensidad de campo se reduce nuevamente al nivel de inyección, iniciando un nuevo ciclo de inyección . Dependiendo del método de control de imán utilizado, el intervalo de tiempo para un ciclo puede variar sustancialmente entre diferentes instalaciones. ^{[ cita requerida ]}

Uno de los primeros sincrotrones de gran tamaño, hoy en desuso, es el Bevatron , construido en 1950 en el Laboratorio Lawrence Berkeley . El nombre de este acelerador de protones proviene de su potencia, en el rango de los 6,3 GeV (en aquel entonces llamado BeV por mil millones de electronvoltios ; el nombre es anterior a la adopción del prefijo giga- en el SI ). Con esta máquina se crearon por primera vez varios elementos transuránicos , nunca vistos en el mundo natural. Este sitio es también la ubicación de una de las primeras cámaras de burbujas grandes utilizadas para examinar los resultados de las colisiones atómicas producidas aquí. ^{[ cita requerida ]}

Otro gran sincrotrón temprano fue el Cosmotrón construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, que alcanzó 3,3 GeV en 1953. ^[12]

Entre los pocos sincrotrones que hay en el mundo, 16 están ubicados en Estados Unidos. Muchos de ellos pertenecen a laboratorios nacionales; pocos están ubicados en universidades. ^{[ cita requerida ]}

Hasta agosto de 2008, el colisionador de mayor energía del mundo era el Tevatron , en el Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi , en Estados Unidos . Aceleraba protones y antiprotones a algo menos de 1 TeV de energía cinética y los hacía colisionar entre sí. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que se ha construido en el Laboratorio Europeo de Física de Altas Energías ( CERN ), tiene aproximadamente siete veces esta energía (por lo que las colisiones protón-protón ocurren a aproximadamente 14 TeV). Está alojado en el túnel de 27 km que antiguamente albergaba el Gran Colisionador de Electrones y Positrones ( LEP ), por lo que mantendrá el título de mayor dispositivo científico jamás construido. El LHC también acelerará iones pesados ​​(como el plomo ) hasta una energía de 1,15 PeV . ^{[ cita requerida ]}

El mayor dispositivo de este tipo que se propuso seriamente fue el Supercolisionador Superconductor (SSC), que se iba a construir en Estados Unidos . Este diseño, como otros, utilizaba imanes superconductores que permiten crear campos magnéticos más intensos sin las limitaciones de la saturación del núcleo. Aunque se inició la construcción, el proyecto se canceló en 1994, citando excesos presupuestarios ; esto se debió a una estimación ingenua de los costos y a problemas de gestión económica, más que a fallos básicos de ingeniería. También se puede argumentar que el final de la Guerra Fría dio lugar a un cambio de las prioridades de financiación científica que contribuyó a su cancelación final. Sin embargo, el túnel construido para su colocación todavía permanece, aunque vacío. Si bien todavía hay potencial para aceleradores cíclicos de protones y partículas pesadas aún más potentes, parece que el siguiente paso en la energía del haz de electrones debe evitar las pérdidas debidas a la radiación de sincrotrón . Esto requerirá un regreso al acelerador lineal , pero con dispositivos significativamente más largos que los que se utilizan actualmente. Actualmente se está realizando un gran esfuerzo para diseñar y construir el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que constará de dos aceleradores lineales opuestos , uno para electrones y otro para positrones. Estos colisionarán a una energía total en el centro de masas de 0,5 TeV . ^{[ cita requerida ]}

La radiación de sincrotrón también tiene una amplia gama de aplicaciones (véase luz de sincrotrón ) y se han construido muchos sincrotrones de segunda y tercera generación especialmente para aprovecharla. Las mayores de esas fuentes de luz de sincrotrón de tercera generación son la Instalación Europea de Radiación de Sincrotrón (ESRF) en Grenoble , Francia, la Fuente Avanzada de Fotones ( APS ) cerca de Chicago, Estados Unidos, y SPring-8 en Japón , que aceleran electrones hasta 6, 7 y 8 GeV , respectivamente. ^{[ cita requerida ]}

Los sincrotrones, que son útiles para la investigación de vanguardia, son máquinas grandes, cuya construcción cuesta decenas o cientos de millones de dólares, y cada línea de luz (puede haber entre 20 y 50 en un sincrotrón grande) cuesta otros dos o tres millones de dólares en promedio. Estas instalaciones son construidas en su mayoría por agencias de financiación científica de gobiernos de países desarrollados, o por colaboraciones entre varios países de una región, y funcionan como instalaciones de infraestructura disponibles para científicos de universidades y organizaciones de investigación de todo el país, la región o el mundo. Sin embargo, se han desarrollado modelos más compactos, como la Fuente de Luz Compacta . ^{[ cita requerida ]}

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