Sincrotrón: qué es y cómo funciona el acelerador de partículas

El sincrotrón es una mejora del ciclotrón, en el que las partículas viajan en espiral. Un ciclotrón utiliza un campo magnético constante y un campo eléctrico aplicado de frecuencia constante. (Uno de ellos varía en el sincrociclotrón). Ambos campos se varían en el sincrotrón para cambiar la trayectoria de una espiral a un círculo. Haciendo crecer cuidadosamente los campos a medida que las partículas ganan energía, la anchura de la trayectoria circular puede mantenerse igual mientras la máquina acelera las partículas. Esto permite que la cámara de vacío para las partículas sea un gran toro de tubo circular delgado (en forma de donut). Es más fácil utilizar algunas secciones rectas entre los imanes de flexión y algunas secciones dobladas dentro de los imanes dando al toro la forma de un polígono de esquinas redondas. Una trayectoria que actúa como un círculo muy grande puede construirse utilizando simples segmentos de tubo rectos y curvados, a diferencia de la cámara en forma de disco de los dispositivos de tipo ciclotrón. Esta forma también requiere el uso de múltiples imanes para doblar los haces de partículas. Se requieren secciones rectas a distancias alrededor de un anillo para ambas cavidades de radiofrecuencia, y en las configuraciones de tercera generación se deja espacio para la inserción de dispositivos de extracción de energía, como wigglers y onduladores. La mayoría de los sincrotrones utilizan dos tipos de imanes: imanes dipolares para doblar el haz de partículas e imanes cuadrupolares para enfocar el haz.

La energía máxima que puede impartir un acelerador cíclico suele estar limitada por la fuerza del campo o campos magnéticos y el radio mínimo (curvatura máxima) de la trayectoria de las partículas. Por eso, con el tiempo, los físicos han construido aceleradores con imanes más grandes y círculos más amplios para alcanzar niveles de energía de las partículas más elevados.

En un ciclotrón, el radio máximo es bastante limitado, ya que las partículas comienzan en el centro y salen en espiral. Por lo tanto, todo el recorrido debe ser una cámara de vacío en forma de disco autoportante. Como el radio es limitado, la potencia de la máquina pasa a estar limitada por la fuerza del campo magnético. En el caso de un electroimán ordinario, la intensidad del campo está limitada por la saturación del núcleo (cuando todos los dominios magnéticos están alineados de la misma manera, el campo no puede aumentar más hasta un punto práctico). La disposición de un solo par de imanes en toda la anchura del dispositivo también limita el tamaño económico del mismo.

Los sincrotrones superan estos límites, ya que utilizan un tubo de haz estrecho que puede ser rodeado por imanes mucho más pequeños y de mayor enfoque. La capacidad de este dispositivo para acelerar partículas está limitada por el hecho de que las partículas deben estar cargadas para poder ser aceleradas, pero las partículas cargadas bajo aceleración emiten fotones (partículas de luz), lo que les hace perder energía. La energía límite del haz se alcanza cuando la energía perdida por la aceleración lateral (de flexión) necesaria para mantener la trayectoria del haz en un círculo es igual a la energía añadida en cada ciclo. Los aceleradores más potentes se construyen utilizando trayectorias de gran radio y empleando cavidades de microondas más numerosas y potentes para acelerar el haz de partículas entre las esquinas. Las partículas más ligeras (como los electrones) pierden una fracción mayor de su energía al girar. En la práctica, la energía de los aceleradores de electrones/positrones está limitada por esta pérdida de radiación, mientras que no juega un papel importante en la dinámica de los aceleradores de protones o iones. La energía de éstos está limitada estrictamente por la fuerza de los imanes y por el coste.

Las partículas se inyectan en el anillo principal a energías considerables mediante un acelerador lineal (linac) o mediante un sincrotrón intermedio que, a su vez, se alimenta de un acelerador lineal. El "linac" se alimenta a su vez de partículas aceleradas a energía intermedia por una simple fuente de alimentación de alta tensión, normalmente un generador Cockcroft-Walton.

Las partículas están diseñadas para salir del linac a una velocidad determinada ("velocidad de inyección") para entrar en el sincrotrón. Los operadores calculan la intensidad del campo magnético necesaria para dirigir las partículas con la velocidad de inyección en la trayectoria del sincrotrón. Los operadores dan a los electroimanes la corriente suficiente para crear la intensidad de campo magnético adecuada.

A partir de esa intensidad de campo magnético inicial, se aumenta el campo magnético. Las partículas pasan por un acelerador electrostático accionado por una alta tensión alterna. A velocidades de las partículas no cercanas a la velocidad de la luz, la frecuencia de la tensión de aceleración puede hacerse aproximadamente proporcional a la corriente en los imanes de curvatura. Un control más fino de la frecuencia se realiza mediante un bucle de servo que responde a la detección del paso del grupo de partículas que viaja. Cuando la velocidad de las partículas se aproxima a la de la luz, la frecuencia se vuelve casi constante, mientras que la corriente en los imanes de curvatura sigue aumentando. La energía máxima que puede aplicarse a las partículas (para un tamaño de anillo y un número de imanes dados) viene determinada por la saturación de los núcleos de los imanes de curvatura (el punto en el que el aumento de la corriente no produce un campo magnético adicional). Una forma de obtener potencia adicional es hacer el toro más grande y añadir imanes de curvatura adicionales. Esto permite que la cantidad de redirección de partículas en la saturación sea menor y así las partículas pueden ser más energéticas. Otra forma de obtener una mayor potencia es utilizar imanes superconductores, que no están limitados por la saturación del núcleo.

Cuando las partículas han alcanzado su máxima energía, se dirigen fuera del sincrotrón y se dirigen a un objetivo. Los primeros sincrotrones utilizaban objetivos fijos. Para duplicar la energía de una colisión, en los años 70 los físicos empezaron a hacer colisionar dos haces de partículas que viajaban en dirección opuesta en lugar de un solo haz y un blanco estacionario. Para tener dos haces que viajan en el sincrónico en direcciones opuestas, utilizaron partículas con la misma masa pero con el signo contrario. Por ejemplo, electrones y positrones o protones y antiprotones.

Uno de los primeros grandes sincrotrones, ahora retirado, es el Bevatron, construido en 1950 en el Laboratorio Lawrence Berkeley. El nombre de este acelerador de protones proviene de su potencia, del orden de 6,3 GeV (entonces llamado BeV por mil millones de electronvoltios; el nombre es anterior a la adopción del prefijo SI giga-). Con esta máquina se crearon por primera vez varios elementos pesados, no vistos en el mundo natural. En este lugar también se encuentra una de las primeras cámaras de burbujas de gran tamaño utilizadas para examinar los resultados de las colisiones atómicas producidas por la máquina.

Otro de los primeros grandes sincrotrones es el Cosmotrón construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, que alcanzó los 3,3 GeV en 1953. El primer sincrotrón de la Universidad de Cornell se construyó antes de 1950 con una potencia de 300 MeV.

Hasta agosto de 2008, el sincrotrón de mayor energía del mundo era el Tevatrón, en el Laboratorio Nacional de Aceleración Fermi, en Estados Unidos. Acelera protones y antiprotones hasta algo menos de 1 TeV de energía cinética y los hace colisionar. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC), construido en el Laboratorio Europeo de Física de Altas Energías (CERN), tiene aproximadamente siete veces esta energía (por lo que las colisiones protón-protón se producen a unos 14 TeV). Se encuentra en el túnel de 27 km que antes albergaba el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP), por lo que mantendrá la pretensión de ser el mayor dispositivo científico jamás construido. El LHC también acelerará iones pesados (como el plomo) hasta una energía de 1,15 PeV.

El mayor dispositivo de este tipo que se propuso seriamente fue el Supercolisionador Superconductor (SSC), que se iba a construir en Texas. Este diseño, al igual que otros, utilizaba imanes superconductores que permiten crear campos magnéticos más intensos sin las limitaciones de la saturación del núcleo. Su circunferencia de anillo prevista era de 87,1 kilómetros (54,1 mi) con una energía de 20 TeV por haz de protones. La construcción se inició en 1991, pero se canceló en 1994. El proyecto había sido mal gestionado. Hay quien dice que el final de la Guerra Fría provocó un cambio en las prioridades de financiación científica que contribuyó a su cancelación definitiva.

Aunque 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. Para ello será necesario volver al acelerador lineal, pero con dispositivos mucho más largos que los actuales. En la actualidad se está realizando un gran esfuerzo para diseñar y construir el Colisionador Lineal Internacional (ILC), que consistirá en dos aceleradores lineales opuestos, uno para electrones y otro para positrones. Estos colisionarán a una energía total del centro de masa de 0,5 TeV.

Sin embargo, 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 fuentes de luz de sincrotrón de tercera generación son la European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) en Grenoble (Francia), la Advanced Photon Source (APS) cerca de Chicago (EE.UU.) y el SPring-8 en Japón, que acelera electrones hasta 6, 7 y 8 GeV, respectivamente.

Los sincrotrones, útiles para la investigación de vanguardia, son grandes máquinas cuya construcción cuesta decenas o cientos de millones de dólares, y cada línea de luz (puede haber entre 20 y 50 en un gran sincrotrón) cuesta otros dos o tres millones de dólares por término medio. La mayoría de estas instalaciones son construidas por los organismos de financiación de la ciencia de los gobiernos de los países desarrollados, o por colaboraciones entre varios países de una región, y funcionan como instalaciones de infraestructura a disposición de los científicos de las universidades y organizaciones de investigación de todo el país, la región o el mundo. Sin embargo, se han desarrollado modelos más compactos, como la Compact Light Source.

• Nota: en el caso de los colisionadores, la energía citada suele ser el doble de la indicada aquí. La tabla anterior muestra la energía de un haz, pero si dos haces opuestos chocan frontalmente, la energía del centro de masa es el doble de la energía del haz indicada.

• Ciencias de la vida: cristalografía de proteínas y grandes moléculas
• Microfabricación basada en LIGA
• Descubrimiento e investigación de fármacos
• "Grabación de diseños de chips informáticos en obleas de metal
• Analizar productos químicos para determinar su composición
• Observación de la reacción de las células vivas a los fármacos
• Cristalografía y microanálisis de materiales inorgánicos
• Estudios de fluorescencia
• Análisis de materiales semiconductores y estudios estructurales
• Análisis del material geológico
• Imágenes médicas
• La terapia de protones para tratar algunas formas de cáncer

• Lista de instalaciones de radiación de sincrotrón
• Microscopía tomográfica de rayos X de sincrotrón
• Amplificador de energía
• Radiofrecuencia superconductora