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INGENIARE 17
Aplicaciones del electromagnetismo
ACELERADORES DE PARTÍCULAS
Universidad Nacional de Colombia
Departamento de Ingeniería quimica
Carlos Arturo Céspedes Zambrano
244470
Introducción
Dentro de las preguntas que siempre hemos tratado de resolver tenemos el
poder conocer el inicio de las cosas, el principio de toda cosa existente en el
universo, y que mejor que poder hacer un análisis a fondo de cada una de las
partículas que componen toda la materia llegando cada vez más a fondo y
poder descubrir una partícula que sea la base de todo. Un dispositivo o equipo
que nos ayuda a entender mucho este campo es el acelerador de partículas,
este fusiona conceptos químicos y físicos que permiten detallar y entender y
descubrir cada una de las partículas por el modo de comportamiento especifico
para cada partícula que permite caracterizarlas e identificarlas gracias a la
diferencia de sus propiedades.
Aceleradores de partícula
Los aceleradores de partículas son
instrumentos que utilizan campos
electromagnéticos para acelerar las
partículas cargadas eléctricamente
hasta alcanzar velocidades (y por
tanto energías) muy altas, pudiendo
ser cercanas a la de la luz. Además,
estos instrumentos son capaces de
contener estas partículas. Un
acelerador puede ser desde un tubo
de rayos catódicos ordinario, de los
que forman parte de los televisores
domésticos comunes o de los
monitores de los ordenadores, hasta
grandes instrumentos que permiten
explorar
el
mundo
de
lo
infinitamente pequeño, en búsqueda
de los elementos fundamentales de
la materia.
Existen dos tipos básicos de
aceleradores: por un lado los
lineales y por otro los circulares:
Aceleradores de bajas energías
Los aceleradores de partículas no
son
aparatos
exclusivos
de
laboratorios sofisticados, sino que
también
se
encuentran
muy
presentes en la vida cotidiana de las
personas, en forma de aceleradores
de bajas energías. Ejemplos muy
sencillos de estos aceleradores, de
electrones principalmente, son los
televisores
o
monitores
de
ordenador (los modelos antiguos
que utilizan tubos de rayos
catódicos, los cuales pueden
considerarse aceleradores lineales
de una sola etapa) o los aparatos de
rayos X que pueden encontrarse en
las clínicas dentales o en los
hospitales. Estos aceleradores de
bajas energías utilizan un único par
de electrodos a los que se les aplica
una
diferencia
de
potencial,
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directamente, de algunos miles de
voltios.
Los aceleradores lineales de altas
energías
Utilizan un conjunto de placas o
tubos situados en línea a los que se
les aplica un campo eléctrico
alterno. Cuando las partículas se
aproximan a una placa se aceleran
hacia ella al aplicar una polaridad
opuesta a la suya. Justo cuando la
traspasan, a través de un agujero
practicado en la placa, la polaridad
se invierte, de forma que en ese
momento la placa repele la
partícula, acelerándola por tanto
hacia
la
siguiente
placa.
Generalmente no se acelera una
sola partícula, sino un continuo de
haces de partículas, de forma que
se aplica a cada placa un potencial
alterno cuidadosamente controlado
de forma que se repita de forma
continua el proceso para cada haz.
grande es la aceleración impartida a
la partícula. Al obligar a la partícula
a describir una trayectoria circular
realmente lo que se hace es
acelerar la partícula, ya que la
velocidad cambia su sentido, y de
este modo es inevitable que pierda
energía hasta igualar la que se le
suministra,
alcanzando
una
velocidad máxima.
La papel que desempeña el
electromagnetismo para que los
aceleradores
de
partículas
funcionen es muy importante para
entender un poco como funcionan
haremos una breve descripción de
los principios básicos que rigen el
comportamiento del acelerador de
partículas.
Ecuaciones de Lorentz
Aceleradores circulares
Estos tipos de aceleradores poseen
una ventaja añadida a los
aceleradores lineales al usar
campos magnéticos en combinación
con
los
eléctricos,
pudiendo
conseguir aceleraciones mayores
en
espacios
más
reducidos.
Además las partículas pueden
permanecer
confinadas
en
determinadas
configuraciones
teóricamente de forma indefinida.
Sin embargo poseen un límite a la
energía que puede alcanzarse
debido a la radiación sincrotrón que
emiten las partículas cargadas al
ser aceleradas. La emisión de esta
radiación supone una pérdida de
energía, que es mayor cuanto más
Representación gráfica de la fuerza
de Lorentz (solo la parte debida al
campo magnético, representado con
dirección perpendicular a la pantalla
y sentido hacia fuera de la misma).
Todos los aceleradores se rigen por
las
ecuaciones
básicas
del
electromagnetismo
desarrolladas
por Maxwell. Sin embargo, existe
una ecuación muy sencilla que sirve
para definir las fuerzas que actúan
en cada tipo de acelerador. Esta es
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Aplicaciones del electromagnetismo
la ecuación o ecuaciones (cuando
se usan de forma separada) de
Lorentz.
La
ecuación
puede
escribirse de forma básica como:
donde
es la fuerza que sufre la
partícula cargada dentro del campo
electromagnético, q es la carga de
la partícula cargada (-1 para el
electrón, +1 para el positrón o el
protón, y mayores para núcleos
pesados),
es el valor del campo
eléctrico,
el campo magnético y
la velocidad de la partícula.
Movimiento circular
Una partícula cargada describe una
semicircunferencia en un campo
magnético uniforme. La fuerza
sobre la partícula viene dada por el
producto vectorial Fm=q·vxB, Su
módulo es Fm=q·vB, su dirección
radial y su sentido hacia el centro de
la circunferencia
Aplicando
la
segunda ley de
Newton
al
movimiento
circular
uniforme,
obtenemos el
radio de la
circunferencia.
El tiempo que tarda en describir una
semicircunferencia es por tanto,
independiente del radio r de la órbita
Aceleración del ión
El ión es acelerado por el campo
eléctrico existente entre las placas.
Incrementa su energía cinética en
una cantidad igual al producto de su
carga por la diferencia de potencial
existente entre las placas.
Cuando el ión completa una
semicircunferencia en el tiempo
constante P1/2, se invierte la
polaridad por lo que es nuevamente
acelerado por el campo existente en
la región intermedia. De nuevo,
incrementa su energía cinética en
una cantidad igual al producto de su
carga por la diferencia de potencial
existente entre las placas.
La energía final del ión es nqV,
siendo n el número de veces que
pasa por la región entre las placas.
El LHC es el acelerador de
partículas más grande y energético
del mundo. Usa el túnel de 27 km
de circunferencia creado para el
Gran Colisionador de Electrones y
Positrones (LEP en inglés) y más de
2000 físicos de 34 países y cientos
de universidades y laboratorios han
participado en su construcción.
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Una vez enfriado hasta su
temperatura de funcionamiento, que
es de 1,9 K (menos de 2 grados por
encima del cero absoluto o
−271,15 °C). A fines de 2009 fue
puesto en marcha, y el 30 de
noviembre de ese año se convirtió
en el acelerador de partículas más
potente al conseguir energías de
1,18 TeV en sus haces, superando
el récord anterior de 0,98 TeV
establecido
por
el
Tevatrón
estadounidense. El 30 de marzo de
2010 las primeras colisiones de
protones del LHC alcanzaron una
energía de 7 TeV (al chocar dos
haces de 3,5 TeV cada uno) lo que
significó un nuevo récord para este
tipo de ensayos. El colisionador
funcionará a medio rendimiento
durante dos años, al cabo de los
cuales se proyecta llevarlo a su
potencia máxima de 14 TeV.
otras nuevas partículas que fueron
predichas teóricamente, y para las
que se ha planificado su búsqueda,
como los strangelets, los micro
agujeros negros, el monopolo
magnético
o
las
partículas
supersimétricas.
Gran parte de las cosas que
podemos ver en este articulo nos
demuestran que gran parte de los
aportes que se tuvieron hace mucho
tiempo
en
el
campo
del
electromagnetismo
han
sido
utilizados y aprovechados en
nuestra actualidad dándonos la
posibilidad de entender un poco
mejor el mundo a la vez poder
utilizar de forma mas adecuada
nuestros recursos o incluso utilizar
recursos que nunca habíamos
utilizado.
Bibliografía
Teóricamente se espera que este
instrumento permita confirmar la
existencia de la partícula conocida
como bosón de Higgs, a veces
llamada "partícula de Dios" o
“partícula
de
la
masa”.
La
observación de esta partícula
confirmaría las predicciones y
"enlaces perdidos" del Modelo
Estándar de la física, pudiéndose
explicar cómo las otras partículas
elementales adquieren propiedades
como la masa.
Verificar la existencia del bosón de
Higgs sería un paso significativo en
la búsqueda de una teoría de la
gran unificación, que pretende
relacionar tres de las cuatro fuerzas
fundamentales
conocidas,
quedando fuera de ella únicamente
la gravedad. Además este bosón
podría explicar por qué la gravedad
es tan débil comparada con las
otras tres fuerzas. Junto al bosón de
Higgs también podrían producirse
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http://www.rnw.nl/espanol/arti
cle/acelerador-depart%C3%ADculas-seprepara-para-el-big-bang
http://www.rnw.nl/espanol/arti
cle/experimento-para-imitarel-big-bang
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fi
sica/elecmagnet/ciclotron/cicl
o.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Ac
elerador_de_part%C3%ADcu
las