Como funciona un acelerador de particulas

La verdad es que a mi, particularmente, me aburre la gente que piensa que todo funciona por magia o que simplemente es incapaz de molestarse en aprender o, simplemente, en informarse acerca de como funcionan las cosas. Quizás por eso me gusta la física porque es una rama de la ciencia que trata de explicar como funciona la naturaleza. Esa es la razón por la que odio profundamente la gente que su maxima explicación (ya sea por ignorancia o por ser vaga de mente) ante cualquier problema su explicación es “no se”. No es que no sepas, es que no quieres saberlo.

Así que hoy os voy a explicar, brevemente, para que os pique el gusanillo (cosa que dudo) como funciona un acelerador de partículas.

Lo primero es saber el para que sirve, y eso es muy sencillo: para ver de que están hechas las cosas. Es decir, un acelerador de partículas sirve para ver que hay dentro de las cosas, en su caso, partículas (como su nombre indica).

Tras esto, la filosofía de como funciona es muy sencilla y la mejor forma de verlo es poner un símil. Yo siempre suelo usar similes de coches ya que son bastante fáciles de entender al estar, el mundo, lleno de “listos” (con comillas) que de lo que más opinan en los bares con golpe en la mesa es de coches mientras el resto abre la boca y les mira con admiración. Así que los similes de coches funcionan bastante bien.

Así que, si queremos saber que compone un coche tenemos dos formas. La forma más común es desmontarlo con nuestras manitas e ir mirando los componentes que lo forman uno a uno. Pero esto se puede hacer gracias a que un coche es un elemento muy grande (físicamente hablando) en comparación con nosotros y que nuestras manos son capaces de desmontarlo pieza a pieza.

Ahora bien, si el coche fuera tan pequeño que nuestras manos o nuestras herramientas fueran incapaces de separar sus diferentes piezas nos queda otro método que es igual de valido para un coche de tamaño estándar: golpearlo hasta que sus piezas se separen.

Sí, si lanzamos un coche contra la pared y este revienta nos mostrar las piezas que componen un coche. No es un método muy ortodoxo pero es igual de válido. Así, a más piezas queramos ver, a más velocidad tendremos que lanzarlo contra la pared para que se muestren las piezas más pequeñas que lo componen. Básico.

Un acelerador de partículas funciona bajo el mismo principio, lanza cosas contra otras a modo de que en el choque se rompan mostrando lo que hay dentro de ellas.

Tras ver el principio, veamos como funciona que no es complicado. Al ser partículas lo que “lanza” y hace chocar, necesitamos un método para acelerarlas a la velocidad que necesitemos. Las partículas recordad que se ven afectadas (como todo) por las cuatro fuerzas fundamentales, así que la mejor forma de lanzarlas es usar una de ellas y la que mejor controlamos es la electromagnética. Así que un acelerador de partículas usa electroimanes para acelerar las partículas, simple.

Tras esto necesitamos ver el camino por el que las aceleramos y esto da los dos tipos de aceleradores existentes, circulares y lineales.

Aunque todo el mundo esta acostumbrado o ha oido hablar del LHC del CERN existen multitud de aceleradores en el mundo y algunos en vez de circulares son lineales, aunque existen otros muchos modelos como el ciclotrón o el sincrotrón.

Por cierto, si os preguntáis, la forma estándar de acelerar una partícula electromagnéticamente es simple. Si la partícula es positiva, la aplicas un campo contrario (de polaridad contraria) esta se mueve por esa sección con lo que si lo hacemos en diferentes secciones conseguiremos no solo mover la partícula sino acelerarla.

Así que lo que hacen los aceleradores es, como su nombre indica, acelerar dos partículas en direcciones contrarias a modo de que, en algún momento, estas colisionen o choquen.

Ahora bien, ¿como hacemos que choquen dos partículas?. Bien, si intentamos, linealmente que dos partículas choquen una contra otra, teniendo en cuenta el tamaño de las cosas seria como intentar que dos guisantes colisionen en un tamaño de Madrid. Simplemente recordad que el tamaño de un átomo es (si fuera como un estadio), poner en el centro de el un guisante (esto seria el núcleo) y los electrones como las gradas (recordad que la órbita es una onda de probabilidad).

Aquí entra un poco el tema “relativista” y es que las partículas que se aceleran llegan a velocidades cercanas a la luz (por eso se llaman relativistas) y entran en juego ecuaciones conocidas como la famosa E=mc^{2} que nos indica no solo la energía necesaria sino que si consideramos la velocidad como una constante y la energía y masa como variable podemos observar como podemos aumentar la masa a mucha energía. Esto nos indica que un electron (por ejemplo) de poca masa aumentara la misma al aplicarle más energía a la misma velocidad. Que cosas.

Esto facilita mucho que dos partículas muy pequeñas de masa choquen al, aumentar su masa. Vamos que es un truco para que choquen más fácilmente. Y poco más hay que contar al respecto.

Ahora bien, vale, las hemos hecho chocar, ¿y ahora qué?. Las cosas de dentro de una partícula no saltan así por las buenas y sin orden sino que siguen los principios de la física, tendrán masa y energía.

Aquí hacemos un inciso y recordamos el experimento de la cámara de niebla o cámara Wilson donde en una cámara con vapor de agua se hace pasar una partícula y esta al pasar por un campo magnético produce una traza según su masa. Es decir, las partículas, según su masa se desvían por el campo magnético… pues ya tenemos el como.

Sí en el lugar donde chocan las partículas y se “desmontan” tenemos aplicado un campo magnético conocido y observamos las energías y, sobre todo, los desvíos de trayectoria no tanto por el golpe sino por el propio campo haremos algo similar al experimento de cámara de niebla pero con otras partículas o sus interiores. Es decir, podemos calcular los trozos que salen de una partícula a través de sus propiedades que anteriormente he citado. ¡Que divertido!.

Resultado, podemos ver y calcular lo que conforman las partículas. Ese rompecabezas que ha vuelto loco, en los primero choques a los físicos al presentarse multitud de partículas de difícil clasificación… pero eso es otra historia para otro momento.

Realmente el detector es un poco más complicado que eso, aunque en si se basa en este principio. La verdad es que los detectores de los aceleradores de partículas no usan un único método sino que se basan en varios (nada se basa en un único problema o solución -y esto es para los “listos de bar” que todo los ven como un único problema y una única gran solución-), desde medir la diferencia de temperatura de la partícula que se quiere detectar en un espacio de tiempo (calorímetros se llaman) hasta la radiación que emita por ir a velocidades relativistas (recordad, todo va muy rápido). Pero principalmente, la forma de detectar dichas subpartículas es similar al experimento de la cámara de niebla.

Recordad que de las imágenes tan molonas y asustantes que veis de un acelerador de partículas, principalemente os muestran el conjunto de aparatos detectores y, sobre todo, los electroimanes junto al “enfriador” (sí, la partícula al acelerarla se la enfría) que no es más que nitrógeno liquido alrededor de los electroimanes.

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