Acceleradors de partícules: “els supermicroscopis”

Particle Accelerators: “the super-microscopes”. We describe the importance of accelerators in particle physics, their basic principles, different types and uses. We include a detailed study of one of the main applications, namely synchrotron radiation.

Acceleradors i detectors de partícules són els microscopis que permeten endinsar-se en allò de més profund de la matèria. La sonda o projectil és una partícula dotada de l’energia necessària per tal que la seua longitud d’ona siga comparable a la grandària dels detalls que es vulguen estudiar. Com més gran siga l’energia de la sonda, menor serà la seua longitud d’ona, tal com es pot deduir de la relació de Broglie. La naturalesa posa al nostre abast diversos tipus de projectils, alguns de molt gran energia. Per exemple, les partícules emeses per certs elements radioactius poden tenir energies fins uns pocs MeV¹. Llençant aquests projectils sobre els àtoms es va poder descobrir l’existència dels nuclis, que tenen dimensions de l’ordre del fermi (10-15 m). Per conèixer l’estructura de les partícules elementals cal disposar d’energies superiors al GeV. La radiació còsmica conté partícules amb energies que poden arribar als 1020 eV, una energia enorme que és un milió de vegades l’energia assolida en els acceleradors actuals. Però els raigs còsmics tenen molts inconvenients pel seu ús com a projectils: tipus de partícula desconegut, intensitat feble, gran dispersió en energia,… Per aquesta raó a principis dels anys trenta es construïren els primers acceleradors de partícules, per tal d’obtenir feixos intensos i controlables de projectils amb una energia coneguda. El progrés realitzat des de llavors ha estat considerable. A més a més, concentrant una gran quantitat d’energia en un petit volum, aquesta es pot materialitzar en noves partícules: és una conseqüència de la famosa equació d’Einstein E=mc². En aquest sentit, els “microscopis” que dèiem adés són una mica especials: molt sovint es tracta de destruir les estructures, creant-ne de noves per aprofundir en el coneixement de l’estructura íntima de la matèria.

    Els acceleradors més senzills són els electroestàtics, que es basen en l’aplicació d’una diferència de potencial entre una font de partícules carregades i una fita fixa. El primer d’aquests acceleradors es va construir el 1932, i accelerava ions pesants fins 600 keV. Un gran nombre d’aquest tipus d’acceleradors encara està en servei i el seu principal mèrit és accelerar qualsevol tipus de partícula carregada amb una petita dispersió d’energia. L’alta tensió és, però, el seu límit a causa dels fenòmens de descàrrega. Aquest inconvenient desapareix utilitzant per accelerar un camp elèctric variable d’alta freqüència o de radiofreqüència sobre la trajectòria que recorre la partícula. És el que es coneix amb el nom d’accelerador lineal basat en camps de radiofreqüència. El primer, construït l’any 1931, va accelerar ions de mercuri a 1.26 MeV. Aquesta tecnologia estava limitada en l’època perquè no es podien assolir altes freqüències. Però la posada a punt del radar en la Segona Guerra Mundial dóna accés a freqüències més elevades. En 1948 es va construir un accelerador lineal de protons a 32 MeV utilitzant freqüències de 200 MHz. Des de llavors les freqüències no han fet sinó augmentar. Aquest camp elèctric d’alta freqüència està polsat per limitar la potència mitjana dissipada. El feix procedent d’un accelerador lineal serà per tant polsat. En l’actualitat s’utilitzen sobretot com a injectors d’altres acceleradors.

 
© CERN

Figura 1: En la part inferior apareix E.O. Lawrence amb un ciclotró de demostració que li cap en la mà, i en la part superior apareix una vista aèria dels voltants del CERN, entre la frontera de França i Suïssa. La línia blanca indica en cada cas la circumferència dels acceleradors. El LEP no es veu en la figura sinó que està en un túnel que segueix la línia blanca, però a uns 100 metres sota terra. La circumferència té uns 27 km. Davant del LEP, per a comparar, apareix l’aeroport de Ginebra.

El mateix any 1932 aparegueren els acceleradors circulars. En el ciclotró s’utilitza un camp magnètic uniforme i independent del temps per accelerar partícules carregades, que es mouen en un pla perpendicular al camp magnètic descrivint una espiral, el radi de la qual augmenta amb l’energia. Els ciclotrons produeixen un feix continu, però la seua energia està limitada a una petita fracció de la massa dels projectils. A hores d’ara són els acceleradors més utilitzats en medicina, però s’han abandonat per a la investigació en física. El problema és que la trajectòria de les partícules és una espiral, cada vegada més gran, per la qual cosa cal un camp magnètic en un volum cada vegada major. L’alternativa és utilitzar electroimants, repartits al llarg de la trajectòria, per tal de donar una acceleració centrípeta a les partícules i mantenir-les en una òrbita tancada. El primer sincrotró es va construir al 1952, i accelerava partícules dins 3 GeV. En l’actualitat s’arriben a energies d’un TeV per protons.

    En els dos tipus d’acceleradors considerats, la fita és sempre fixa. L’energia disponible per a la creació de noves partícules és una petita fracció de l’energia del projectil, mentre que la resta es troba en forma d’energia cinètica després de la col·lisió. Es pot guanyar molta més energia si la fita està també en moviment i si la col·lisió és frontal o quasi frontal. Aquest nou tipus d’accelerador es diu col·lisionador, i és el que s’utilitza actualment en física d’altes energies. Per a dues partícules d’igual massa i energia es pot doblar l’energia de la col·lisió. Per exemple, un col·lisionador protó antiprotó de 630 GeV és equivalent a un sincrotó de protons de fita fixa de 212 TeV. Al CERN està instal·lat el LEP (Large Electron Positron). Va començar a funcionar el 1989 fent col·lidir electrons i positrons a 45 GeV per feix. L’energia ha anat augmentant fins els actuals 103 GeV per feix. A finals del 2000 serà desmantellat per ubicar al seu túnel el nou LHC (Large Hadron Collider), on es produiran col·lisions protó protó a 7 TeV per feix. Desafortunadament, augment d’energia significa també augment de grandària i per tant augment de costos. Els primers ciclotrons eren petits, i el seu inventor fins i tot en va construir un de demostració que li cabia en la mà, i que està representat a la figura. Es pot comparar amb la figura 1, on apareix una vista aèria dels voltants del CERN que té una circumferència d’uns 27 km. El nivell tecnològic necessari per a desenvolupar aquests acceleradors és cada vegada més alt. En el cas del LHC tots els imants seran superconductors que arribaran a camps magnètics de 9 tesles. Això farà que el tipus de funcionament siga totalment diferent del de LEP, on solament una petita proporció dels imants són superconductors. D’altra banda cal dir que d’aquest nivell se beneficia tant la indústria com la societat en general, l’exemple més significatiu és el del world wide web, que va nàixer com un mitjà de comunicació per als físics i que avui utilitza tothom. Encara que semble increïble, aquest gran aparell és molt sensible a efectes externs insospitats. Per exemple, el pas dels trens d’alta velocitat o fins i tot de les marees lunars s’han de tenir en compte per calibrar i controlar l’energia de les partícules.

    Abans d’entrar en un accelerador com el LEP (vegeu figura 2), les partícules ixen d’una font de ions, electrons, positrons o protons, i passen pels sistemes d’injecció, que les acceleren abans d’entrar en la cambra de buit. Aquesta és com una canonada per la qual circulen les partícules. S’hi ha de fer el buit per evitar que les partícules accelerades col·lidesquen amb les partícules de l’aire. El buit és de 10-9 tor, comparable al buit lunar. La cambra està envoltada d’un camp magnètic guia que fa que les partícules giren en una òrbita tancada, i per un camp focalitzador per tal que es mantinguen al voltant de l’òrbita ideal, per la qual cosa han de fer oscil-lacions laterals (radials i verticals). Tota partícula carregada perd energia en ser sotmesa a una acceleració. Així, en cada revolució la partícula perd una fracció de la seua energia en forma de llum: és el que es coneix com radiació sincrotró, sobre la qual tornarem a parlar a la fi d’aquest article. Aquesta pèrdua indesitjable d’energia, inversament proporcional a la massa de la partícula accelerada, s’ha de compensar cada volta amb cavitats de radiofreqüència. El que es fa és donar una acceleració periòdica que agrupa les partícules en paquets, fent que oscil·len també longitudinalment. Les partícules circulen, doncs, en feixos formats per un o més paquets, amb una velocitat pròxima a la de la llum en el buit, oscil·lant en totes les direccions i emetent radiació sincrotró. Per les oscil·lacions transversals l’amplitud de les oscil·lacions ve donada per les dimensions de la cambra de buit.

    Una partícula no viatja sola, doncs, sinó que ho fa en paquets, en companyia d’unes 109 partícules idèntiques en un volum d’un mil·límetre cúbic aproximadament. Si totes les partícules tenen càrregues del mateix signe, la repulsió electroestàtica s’oposa a mantenir-les en un volum petit. Afortunadament, en grans energies de prop d’un GeV els efectes relativistes dominen i aquesta repulsió desapareix. Un altre problema tècnic és que la cambra de buit és metàl·lica. Per això cada partícula carregada del paquet produeix un camp magnètic en el metall que pertorbarà el moviment dels altres paquets de partícules emmagatzemats que vinguen darrere. Aquest efecte és similar al que experimenta un vaixell quan segueix el deixant d’un altre, i com en aquest cas totes les partícules oscil·len col·lectivament amb una amplitud que augmenta ràpidament amb el temps. S’ha d’actuar amb mecanismes per controlar i suprimir aquestes oscil·lacions pertorbadores. En un col·lisionador com el LEP circulen per la cambra de buit electrons i positrons, que, per tant, segueixen direccions oposades. I ací ve la part més interessant: com fer que col·lidesquen? Els feixos es mantenen en les òrbites ideals, i es fan coincidir en certs punts d’interacció que és on es col·loquen els detectors. Contràriament al que es pot pensar, és difícil fer que col·lidesquen: els paquets d’electrons i positrons es creuen sense sentir més que una distorsió mútua que modifica les òrbites respectives. Aquest efecte és important a densitats de corrent grans i limita el que s’anomena la lluminositat del feix i per tant el nombre d’interaccions que es poden produir. Ocasionalment, en cada creuament de feixos, un electró arriba a estar tan a prop d’un positró que es produeix la col·lisió, fet que dóna lloc a una dispersió, com si es tractara de dues boles de billar, o bé produint una aniquilació que origine noves partícules. La part delicada és, per tant, aconseguir el màxim de col·lisions en les zones dissenyades, on els detectors recolliran els productes de la col·lisió. En el futur accelerador LHC es faran col·lidir dos feixos de protons, per la qual cosa s’han de construir dues cambres de buit diferents, fent que en cadascuna els protons viatgen en sentit contrari, i establint punts de creuament dels dos feixos.

    Com hem esmentat adés, els acceleradors circulars tenen un efecte no desitjat pels primers usuaris: l’energia de les partícules accelerades es perd en forma de radiació sincrotró. Aquesta pèrdua consisteix en un feix de llum molt intens, emès cap endavant en un con que té un angle d’obertura d’unes desenes de microradians, distribuït en un continu de longituds d’ona, des de l’infraroig llunyà fins a la regió dels raigs X, i polaritzat en el pla de l’òrbita i d’una lluïssor que supera la de les fonts convencionals en un factor més gran que 108. Com que la llum és la sonda més utilitzada en l’estudi de la matèria en pràcticament totes les disciplines científiques, no és sorprenent que aquesta “pèrdua’’ s’haja convertit en un instrument essencial per a la recerca fonamental ni que siga aplicada en camps molt diversos. Per això clourem aquest article amb unes referències no exhaustives a aquestes aplicacions.

    Per donar una idea de la seua importància, diguem que avui dia els usuaris de la llum de sincrotró ja no utilitzen parasitàriament els acceleradors de la física nuclear, sinó que han construït sincrotrons dedicats exclusivament a la producció de llum. Tos els països avançats (i no tan avançats) tenen fonts pròpies i participen en projectes d’abast continental. Una mirada a la distribució europea de fonts de llum sincrotró mostra que al sud de la línia que uneix París (França) amb Trieste (Itàlia), no hi ha cap font nacional, fet que mostra la urgent necessitat de construir-ne una. La radiació sincrotró és actualment una eina imprescindible en camps tan diversos com la recerca avançada en cosmètica i en indústria alimentària; en catalitzadors i en problemes de contaminació; en fibres artificials i en productes farmacèutics; en microelectrònica i en micromecànica. La llista d’exemples no s’acaba, però amb aquests exemples ja es pot veure que la capacitat de la radiació sincrotró va molt més enllà de ser una eina per a la pura recerca aplicada. L’accés fàcil a una font de llum de sincrotró és imprescindible en qualsevol camp de la recerca competitiva com la que fan els països del nostre entorn.

    Per esmentar algun exemple d’aplicació en ciència bàsica, ens referirem només a la biologia. La radiació sincrotró ha permès estudiar els canvis conformacionals de macromolècules biològiques en dissolució, emprant tècniques de dispersió de raigs X amb resolució temporal, atesa l’estructura temporal d’aquesta radiació. Un camp en expansió és el relacionat amb complexos biològics que formen estructures bidimensionals, com les membranes; els experiments de difracció de raigs X a petit angle proporcionen informació directa sobre la dinàmica estructural d’aquests sistemes en funcionament, per exemple quan transporten ions o petites molècules a través d’una membrana. Consideracions similars es poden fer en el cas d’estudis de dinàmica estructural de moltes altres molècules fibroses, com ara el DNA o el teixit muscular. Un exemple espectacular de la potència de la radiació sincrotró és la manera com ha transformat la solució de l’estructura atòmica de sistemes biològics usant cristalls de molècules macrobiològiques. La resolució d’una estructura necessitava anys de treball, mentre que ara les tècniques de radiació sincrotró permeten fer-ho, de manera quasi rutinària, en qüestió d’hores. Aquest enorme progrés, després de la finalització del projecte del genoma humà, permet contemplar de forma realista el pas al següent repte científic: la determinació de l’estructura d’aproximadament les 100.000 proteïnes codificades pel genoma humà. Aquesta disciplina, que ara es coneix com la “proteònica’’, és probable que es convertesca en una de les grans conquestes del segle XXI i la radiació sincrotró serà una de les eines centrals i indispensables per al seu èxit. El futur de la radiació sincrotró com a instrument de recerca serà tan brillant com la intensitat de les pròpies fonts.

1. Un aclariment sobre les unitats. L’energia adquirida per un electró sotmès a una diferència de potencial d’un volt és l’electró-volt (eV), i aquí utilitzarem els múltiples kilo (103), Mega (106), Giga (109) i Tera (1012). (Tornar al text)

Joan Bordàs. Institut de Física d’Altes Energies, Universitat Autònoma de Barcelona.
Àngels Faus-Golfe.
IFIC, Centre Mixt CSIC Universitat de València.
Ramón Pascual*. Institut de Física d’Altes Energies, Universitat Autònoma de Barcelona.
© Mètode 27, Tardor 2000. 

 

«Concentrant una gran quantitat d’energia
en un petit volum, aquesta es pot materialitzar en noves partícules: és una conseqüència de la famosa equació
d’Einstein E=mc²»

 

 

Figura 2: Interior del túnel de LEP. En la part de baix es veuen els diferents elements que componen l’accelerador (en blau en primer pla es veu un quadrupol), mentre que dalt apareix un home utilitzant el sistema de transport per a desplaçar-se per dins del túnel.
© CERN

 

«El pas dels trens
d’alta velocitat o fins i tot de les ma­rees lunars
s’han de tenir en compte per calibrar i controlar l’energia de les partícules»

«La radiació sincrotró és actualment una eina imprescindible en camps tan diversos com la recerca avançada en cosmètica i en indústria alimentària»

© Mètode 2013 - 27. Matèria en moviment - Tardor 2000