Colisionador

Un colisionador es un tipo de acelerador de partículas que reúne dos haces de partículas opuestos de modo que las partículas colisionan. Los colisionadores pueden ser aceleradores anulares o aceleradores lineales.

Los colisionadores se utilizan como herramienta de investigación en física de partículas al acelerar las partículas hasta alcanzar una energía cinética muy alta y permitirles impactar con otras partículas. El análisis de los subproductos de estas colisiones proporciona a los científicos buenas pruebas de la estructura del mundo subatómico y de las leyes de la naturaleza que lo gobiernan. Estos pueden hacerse evidentes sólo a altas energías y durante pequeños períodos de tiempo y, por lo tanto, puede ser difícil o imposible estudiarlos de otras maneras.

Explicación

En física de partículas, se adquiere conocimiento sobre las partículas elementales acelerándolas hasta alcanzar una energía cinética muy alta y dejándolas impactar sobre otras partículas. Para energía suficientemente alta, se produce una reacción que transforma las partículas en otras partículas. La detección de estos productos da una idea de la física involucrada.

Para realizar tales experimentos hay dos configuraciones posibles:

• Configuración fija de objetivos: Un rayo de partículas (el proyectiles) se acelera con un acelerador de partículas, y como socio de colisión, se pone un objetivo estacionario en el camino del haz.
• Collider: Dos. Las vigas de las partículas se aceleran y las vigas se dirigen entre sí, de modo que las partículas chocan mientras vuelan en direcciones opuestas. Este proceso se puede utilizar para hacer extraño y antimateria.

La configuración del colisionador es más difícil de construir, pero tiene la gran ventaja de que, según la relatividad especial, la energía de una colisión inelástica entre dos partículas que se acercan entre sí con una velocidad determinada no es sólo 4 veces mayor que en el caso de una sola partícula. descansando (como sería en la física no relativista); puede ser órdenes de magnitud mayor si la velocidad de colisión es cercana a la velocidad de la luz.

En el caso de un colisionador donde el punto de colisión está en reposo en el marco de laboratorio (es decir,. ${displaystyle {vec {p}_{1}=-{vec} {p}_{2}$), el centro de energía de masas ${displaystyle E_{mathrm {cm} }$ (la energía disponible para producir nuevas partículas en la colisión) es simplemente ${displaystyle E_{mathrm {cm} }=E_{1}+E_{2}$, donde ${displaystyle E_{1}$ y ${displaystyle E_{2}$ es la energía total de una partícula de cada haz. Para un experimento objetivo fijo donde la partícula 2 está en reposo, ${displaystyle E_{mathrm {cm} }{2}=m_{1} {2}+m_{2}+2m_{2}E_{1}$.

Historia

La primera propuesta seria para un colisionador se originó con un grupo de la Asociación de Investigación de Universidades del Medio Oeste (MURA). Este grupo propuso construir dos anillos aceleradores FFAG de sector radial tangente. Tihiro Ohkawa, uno de los autores del primer artículo, desarrolló un diseño de acelerador FFAG de sector radial que podría acelerar dos haces de partículas contrarrotantes dentro de un solo anillo de imanes. El tercer prototipo de FFAG construido por el grupo MURA fue una máquina de electrones de 50 MeV construida en 1961 para demostrar la viabilidad de este concepto.

Gerard K. O'Neill propuso utilizar un único acelerador para inyectar partículas en un par de anillos de almacenamiento tangentes. Como en la propuesta original de MURA, las colisiones se producirían en la sección tangente. La ventaja de los anillos de almacenamiento es que pueden acumular un flujo de luz de carretera procedente de un acelerador de inyección que logra un flujo mucho menor.

Los primeros colisionadores electrón-positrón fueron construidos a finales de los años 1950 y principios de los 1960 en Italia, en el Istituto Nazionale di Fisica Nucleare en Frascati, cerca de Roma, por el físico austriaco-italiano Bruno Touschek y en Estados Unidos, por el Stanford-Princeton. equipo que incluía a William C.Barber, Bernard Gittelman, Gerry O'Neill y Burton Richter. Casi al mismo tiempo, el colisionador electrón-electrón VEP-1 se desarrolló y construyó de forma independiente bajo la supervisión de Gersh Budker en el Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk, URSS. Las primeras observaciones de las reacciones de las partículas en los haces en colisión fueron comunicadas casi simultáneamente por los tres equipos a mediados de 1964 y principios de 1965.

En 1966, se comenzó a trabajar en los anillos de almacenamiento intersectantes en el CERN, y en 1971, este colisionador estaba operativo. El ISR era un par de anillos de almacenamiento que acumulaban y colisionaban protones inyectados por el Sincrotrón de Protones del CERN. Este fue el primer colisionador de hadrones, ya que todos los esfuerzos anteriores habían trabajado con electrones o con electrones y positrones.

En 1968 comenzó la construcción del complejo acelerador de protones de mayor energía en Fermilab. Finalmente se actualizó para convertirse en el colisionador Tevatron y en octubre de 1985 se registraron las primeras colisiones protón-antiprotón en un centro de energía de masa de 1,6 TeV, lo que lo convirtió en el colisionador de mayor energía del mundo en ese momento. Posteriormente, la energía alcanzó 1,96 TeV y al final de la operación en 2011, la luminosidad del colisionador superó 430 veces su objetivo de diseño original.

Desde 2009, el colisionador de mayor energía del mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN. Actualmente opera en un centro de energía de masa de 13 TeV en colisiones protón-protón. Actualmente se están considerando más de una docena de futuros proyectos de colisionadores de partículas de diversos tipos: circulares y lineales, colisión de hadrones (protón-protón o ion-ión), leptones (electrón-positrón o muón-muón) o electrones e iones/protones. para una exploración detallada de la física de Higgs/electrodébil y los descubrimientos en la frontera energética posterior al LHC.

Operación de colisionadores

Fuentes: La información fue tomada del sitio web Particle Data Group.