El Sincrotrón

Las etapas finales de aceleración en las principales instalaciones de aceleradores, son por lo general sincrotrones. Se componen de grandes dispositivos circulares, donde las partículas cargadas viajan en tubos evacuados, bajo la influencia de imanes que se colocan alrededor de la circunferencia del anillo. La aceleración se consigue mediante la aplicación de campos eléctricos de radio frecuencia, en cavidades de RF a lo largo de la circunferencia del anillo. Los campos magnéticos deben aumentarse sincrónicamente con la aceleración, con el fin de mantener las partículas sobre un recorrido de radio constante. Tales aceleradores se pueden utilizar con protones o electrones, e incluso con iones positivos más pesados.

En el sincrotrón se tuvieron que superar enormes obstáculos tecnológicos, para alcanzar el estado actual, donde se puede producir un haz de partículas del grosor de un lápiz, con una energía de más de 100.000 veces, la mas energética emisión radiactiva natural. Un paso importante fue el desarrollo de lo que se denominó el "enfoque débil", de V. Veksler y EM McMillan alrededor de 1945. Las partículas que tienen radios de órbita que son ligeramente mayor o menor, que el radio óptimo del centro del tubo del haz, se pueden manipular, diseñando campos magnéticos marginales, de modo que estas partículas lleguen en fase con el mecanismo de aceleración. Un segundo paso importante fue el desarrollo del "enfoque fuerte", atribuido a N. Christophilos en 1950 y Courant, Livingston y Snyder en 1952. Una combinación de imanes dipolares y cuadripolares enfocan y desenfocan alternativamente el haz, en ambas direcciones horizontal y vertical. La combinación de los imanes puede estar dispuesta, para lograr una colimación neta o "enfoque" del haz. El enfoque fuerte es importante en los aceleradores de más alta energía, para mantener pequeño el tamaño del haz, con el consiguiente ahorro en el coste de los imanes.

En los sincrotrones de protones, el límite de alta energía está fijado por la intensidad de los imanes de deflexión. Para una intensidad de imán de deflexión dada, las energías superiores sólo se puede lograr haciendo el radio más grande. Los sincrotrones de protones más grandes son el Main Ring (500 GeV) y el Tevatron (1 TeV) en el Fermilab, y el Super Proton Synchrotron (SPS, 450 GeV) del CERN.

El sincrotrón de electrones más grande del mundo es el Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN. Funcionó desde 1989 hasta 2000 en el mismo túnel utilizado para construir el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). Tiene un radio de aproximadamente 4 km. En los sincrotrones de electrones, la energía máxima está limitada por las pérdidas de radiación del sincrotrón, que aumenta con la cuarta potencia de la energía de la partícula. Dado que estas pérdidas son inversamente proporcionales al radio de la órbita, estos aceleradores se construyen lo más grande posible.

Anillos de Almacenamiento

Un anillo de almacenamiento consta de un tubo evacuado que pasa a través de un anillo de imanes donde se mantiene constante el campo magnético. Las partículas cargadas puede entonces circular en el anillo indefinidamente. La geometría es la misma que la descrita en el sincrotrón; de hecho un sincrotrón puede servir como un anillo de almacenamiento. En los experimentos de colisión del haz, se puede tener dos anillos de almacenamiento que contengan dos especies diferentes de partículas, hasta el momento en que se redireccionan para que choquen. Un anillo de almacenamiento puede contener partículas durante horas, mientras que el proceso de la aceleración de partículas hasta sus energías de diseño, puede tomar sólo unos segundos. Un requisito estricto para un anillo de almacenamiento es el vacío, debe ser un vacío mucho mejor que el de la operación de sincrotrón rutinario.

El Stanford Electron Positron Accelerator (SPEAR), se compone de anillos de almacenamiento de electrones y positrones. Esta instalación se caracteriza por el descubrimiento del quark charm y el leptón tau.