Aceleradores

La búsqueda de lo muy pequeño, requiere energías muy altas. Los descubrimientos necesarios para la unificación electrodébil, están cerca del extremo superior de las energías disponibles, en la generación actual de los aceleradores de partículas. La búsqueda experimental en la física de partículas de alta energía, está concentrada en un pequeño número de instalaciones.

Estas instalaciones de grandes aceleradores, emplean una variedad de dispositivos de aceleración, y tienen sofisticados sistemas de detectores, que permiten el análisis de los resultados de los eventos de dispersión de alta energía.

Fermilab

El Fermi National Accelerator Laboratory cerca de Chicago, tiene el más poderoso colisionador protón-antiprotón, diseñado para llegar a 1 TeV. Es la única instalación actual, que parece tener el poder de producir la evidencia del último de los quarks, el quark top.

Fermilab facility. Image courtesy Wikipedia. The main injector is in the foreground, and the antiproton ring and Tevatron (inactive since 2011) are in the background. Author Fermilab, Reidar Hahn, 2003.

Los protones del Main Ring en haces de un cuatrillón, son estrellados contra un blanco de metal, para hacer antiprotones. Se hacen sobre 10 mil millones, y se extraen en una matriz de imanes triangular llamada acumulador. Una vez que se acumula una suficiente "pila" de antiprotones, se inyectan en el Tevatron. Se aceleran seis racimos de cada tipo de partícula, (cada uno de 2 pies de largo y más delgado que un lápiz) en direcciones opuestas alrededor del anillo, para chocar de un "golpe" en el detector del colisionador (Trefil, Discover Dec89, p56).

Las instalaciones del Fermilab alberga el Inyector Principal, un acelerador sincrotrón de protones. Debajo de él, en el mismo túnel, hay otro sincrotrón, un anillo magnético superconductor llamado Tevatrón que aumenta la energía a 1 TeV. Hay un anillo de almacenamiento de antiprotones que logra energías de colisión de aproximadamente 1,8 TeV.

Antes de entrar en el inyector principal, los protones son acelerados a aproximadamente 750 keV por un acelerador Cockroft-Walton, luego a aproximadamente 400 MeV por un acelerador lineal. Se elevan a 8 GeV por un acelerador de refuerzo comparativamente pequeño, y luego hasta 150 GeV por el inyector principal.

Asociado con el Tevatrón hay dos grandes instalaciones de detección, la Instalación del Detector Colisionador, y la instalación del detector D0. Hasta la puesta en marcha en 2008 del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), fué el acelerador de partículas más potente del mundo. El inicio del Tevatrón fue en 1983 y fue dado de baja en 2011.

El Amplificador y el Inyector Principal del Fermilab

Como parte de la cadena de aceleradores del Fermilab, el amplificador y el inyector principal, aumentan la energía de las partículas antes de la inyección en el Tevatron.

Después de haber sido acelerados por el Cockroft-Walton y los aceleradores lineales, los protones entran en la tercera fase, el Booster (amplificador), que se encuentra a unos 20 pies bajo tierra. El Booster es un acelerador circular (sincrotrón) que utiliza imanes para doblar el haz de protones en una trayectoria circular. Los protones viajan alrededor del Booster aproximadamente 20.000 veces para que experimenten repetidamente campos eléctricos. Con cada revolución los protones recogen más energía, dejando el Booster con 8 mil millones de electronvoltios (8 GeV).

El inyector principal, terminado en 1999, acelera las partículas y transfiere los haces. Tiene cuatro funciones: (1) Acelera los protones de 8 GeV a 150 GeV. (2) Produce protones de 120 GeV, que se utilizan para la producción de antiprotones. (3) Recibe antiprotones de la Fuente de antiprotones y aumenta su energía a 150 GeV. (4) Inyecta los protones y antiprotones en el Tevatron. En el interior del túnel del inyector principal, los físicos han instalado también un reciclador de antiprotones (anillo verde). Almacena antiprotones que regresan de un viaje a través del Tevatron, a la espera de ser re-inyectados. El Tevatron recibe protones de 150 GeV, y antiprotones del inyector principal y los acelera hasta casi 1000 GeV, o un tera electrón voltios (1 TeV). Viajando a solo 200 kilómetros por hora más lento que la velocidad de la luz, los protones y antiprotones circulan por el Tevatron en direcciones opuestas. Los haces se cruzan entre sí en los centros de los detectores 5000-ton CDF y DZero, localizados dentro del túnel del Tevatron, creando ráfagas de nuevas partículas. (Fermilab).

Imágenes cortesía del Fermilab

El Tevatron del Fermilab

Debajo del Anillo Principal del Fermilab en el mismo túnel, hay otro sincrotrón, un anillo magnético superconductor llamado Tevatrón, que aumenta la energía a 1 TeV. Hay un anillo de almacenamiento de antiprotones que logra energías de colisión de aproximadamente 1,8 TeV.

El Tevatron hace uso de imanes superconductores para lograr las altas energías y reducir los costes operativos.

El Tevatron recibe protones y antiprotones de 150 GeV del inyector principal, y los acelera hasta casi 1000 GeV, o un tera electrón voltios (1 TeV). Viajando a solo 200 kilómetros por hora más lento que la velocidad de la luz, los protones y antiprotones circulan por el Tevatron en direcciones opuestas. Los haces se cruzan entre sí en los centros de los detectores CDF de 500-ton y el DZero localizados dentro del túnel del Tevatron, creando ráfagas de nuevas partículas. (Fermilab)