Esquema de un sincrotrón

El sincrotrón es un tipo de acelerador de partículas. Se diferencia de otros aceleradores en que las partículas se mantienen en una órbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron del ciclotrón, que usa un campo magnético constante para curvar la trayectoria de las partículas, aceleradas mediante un campo eléctrico también constante, mientras que en el sincrotrón ambos campos varían. La velocidad máxima a la que las partículas se pueden acelerar está dada por el punto en que la radiación sincrotón emitida por las partículas al girar es igual a la energía suministrada. Los sincrotrones también se utilizan para mantener las partículas circulando a una energía fija; en este casos reciben el nombre de «anillos de almacenamiento».

Los sincrotrones pueden usarse como colisionadores de partículas. En este tipo de sincrotrones, dos haces de partículas diferentes se aceleran en direcciones opuestas para estudiar los productos de su colisión. En otros sincrotrones se mantiene un haz de partículas de un solo tipo circulando indefinidamente a una energía fija, usándose como fuentes de luz sincrotrón para estudiar materiales a resolución del orden del radio atómico, en medicina y en procesos de manufactura y caracterización de materiales. Un tercer uso de los sincrotrones es como pre-acelerador de las partículas antes de su inyección en un anillo de almacenamiento. Estos sincrotrones se conocen como boosters («aceleradores»).

[editar] Desarrollo

Esquema de funcionamiento de un ciclotrón, el precursor del sincrotrón. El campo magnético es uniforme y se aplica en la dirección perpendicular a la órbita de las partículas. Las partículas se aceleran desde cero cada vez que atraviesan el campo magnético y describen una espiral cuyo radio aumenta hasta que emergen del acelerador.

El ciclotrón, concebido por el físico austro-húngaro Leó Szilárd en 1929, se puede considerar el precursor del sincrotrón. El ciclotrón usa un campo magnético estático para curvar la trayectoria de las partículas y un campo eléctrico oscilante de frecuencia fija para acelerarlas en un punto de su trayectoria. A medida de que las partículas aumentan su velocidad, el radio de su órbita aumenta, por lo cual describen una espiral.^[1] Ernest Lawrence diseñó y construyó el primer ciclotrón,^[2] puesto en marcha por vez primera a finales de 1931. Esta máquina no era adecuada para la aceleración de partículas relativistas, cuya masa aumenta al aproximarse su velocidad a la de la luz, lo que causa un desfasaje con respecto a la oscilación del voltaje acelerador.^[3]

En 1934, Szilárd describió el principio de estabilidad de fase,^[1] fundamental en el diseño del sincrotrón. En 1945, el estadounidense Edwin McMillan y el soviético Vladimir Veksler propusieron, independientemente, un acelerador basado en este principio, variando la frecuencia del campo eléctrico a medida que la partícula incrementa su energía.^[4] De este modo, las partículas reciben una cantidad de energía inversamente proporcional a su velocidad, lo que resulta en un haz estable donde las partículas viajan, en promedio, a la velocidad apropiada.^[5] Usando este principio, Lawrence, McMillan y otros miembros de su grupo transformaron el cyclotrón de Berkeley en un sincrociclotrón en 1946. Este aparato llegó a a acelerar protones hasta 740 MeV e iones de Helio a 920 MeV.^[6] El Phasotron, un sincrociclotrón para electrones construido por Veksler en Dubná alcanzó los 10 GeV.

Ilustración del principio de estabilidad de fase en el sincrotrón: la función periódica U(t) representa el campo eléctrico oscilatorio. Los tres puntos sobre la gráfica representan tres partículas viajando a velocidades ligeramente distintas. La partícula del centro alcanza el campo con la fase «óptima» W₀, entre 90 y 180°. La partícula que llega ligeramente por delante recibe menos energía del campo, y la que llega por detrás, más, de tal modo que las fases permanecen concentradas alrededor de W₀.

La máxima energía de los sincrociclotrones está dictada por el radio máximo de la órbita de las partículas, que no podían acelerarse más una vez alcanzado este

punto. En 1949, MacMillan construyó el primer sincrotrón de electrones, incrementando la magnitud del campo magnético en sincronía con la velocidad del los electrones y consiguiendo así mantener a estos en una órbita fija cerrada y acelerarlos hasta una energía de 300 MeV.^[4] El primer sincrotón de protones fue el Cosmotrón, diseñado en 1948 y construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. El Cosmotrón comenzó a funcionar a la energía de 3.3 GeV a principios de 1953.^[7] En 1952, varios de los colaboradores en el diseño y construcción del Cosmotrón publicaron una idea para aumentar la eficiencia de los sincrotrones alternando lentes magnéticas convergentes y divergentes —campo magnético de gradiente alternado— para focalizar el haz de partículas a lo largo de toda su trayectoria,^{[8] [9]} idea patentada ya en 1950 por Nicholas Christofilos.^[10] Esta idea fue inmediatamente incorporada al diseño del sincrotrón de protones del CERN, donde hasta entonces se planeaba alcanzar una energía de 10 GeV.^[4] Gracias al uso de gradiente alternado entró en funcionamiento en 1959 a 30 GeV.^[11] En 1960, entró en funcionamiento el AGS («Alternating Gradient Synchrotron» de 33 GeV en Brookhaven.^[12]

Bob Wilson, un antiguo colaborador de Lawrence, propuso separar los imanes focalizadores del haz de los imanes usados para curvar la trayectoria del haz de partículas en el sincrotrón de Fermilab, finalizado en 1972, donde se alcanzaron 400 GeV.^[4] En las décadas siguientes se siguieron construyendo sincrotrones de mayor tamaño y energía, como el Tevatron en Fermilab o el LHC en CERN, dedicados al estudio de partículas subatómicas.

Aunque la radiación sincrotrón emitida por las partículas aceleradas constituye una limitación a la máxima energía alcanzable en un sincrotrón, los científicos pronto se percataron de las posibilidades que ofrecían los haces intensos de radiación ultravioleta y rayos X generados en los sincrotrones de altas energías,y en los 80, aparecieron los primeros anillos de almacenamiento diseñados exclusivamente como fuentes de radiación sincrotrón.^[5] Algunos colisionadores de partículas obsoletos, como el sincrotrón de Stanford en los Estados Unidos, o DORIS y PETRA en el laboratorio Deutsches Elektronen-Synchrotron, Alemania, han sido reconfigurados para este propósito,^{[13] [14] [15]} mientras que unos pocos, como CHESS, en la Universidad de Cornell, se utilizan a la vez para estudios de física de partículas y como fuentes de luz sincrotrón.^[16]

[editar] Componentes

Booster de 900 MeV del colisionador de partículas VEPP 2000, en Novosibirsk

[editar] Fuente de partículas

Para la producción de electrones se suelen utilizar cátodos termoiónicos o cátodos fríos o fotocátodos.^{[17] [18] [19]} Los positrones se producen haciendo incidir un haz de electrones acelerados sobre un material metálico.^[19] Las fuentes de protones son muy diversas; se suelen extraer de un plasma, generado, por ejemplo, a partir de una descarga o radiación de microondas aplicados a un gas.^{[20] [21]} Los antiprotones se producen de manera parecida a los positrones, haciendo chocar un haz de protones con un metal pesado.^[19]

[editar] Aceleradores auxiliares: LINACS y boosters

Al contrario que los ciclotrones, los sincrotrones no son capaces de acelerar las partículas a partir de baja energía, por lo cual la aceleración se realiza por etapas. El haz de partículas se acelera inicialmente usando una fuente de alto voltaje oscilando a radio frecuencias. Las partículas se inyectan en un acelerador linear o LINAC, y de ahí pasan a un sincrotrón llamado booster donde adquieren su energía final; las partículas así aceleradas se inyectan al sincrotrón principal o anillo de almacenamiento, donde circulan a una energía fija. En un sincrotrón típico, el LINAC imparte a los electrones una energía entre 0.1 y 1 GeV, y el booster los acelera hasta la energía final de unos pocos GeV.^{[22] [23] [24]} El Gran Colisionador de Hadrones, que opera con protones de 7 TeV, requiere tres sincrotrones auxiliares.^[25]

[editar] Cavidades de radiofrecuencia

Las cavidades de radiofrecuencia o RF son una serie de estructuras huecas donde se aplica el voltaje oscilante longitudinal, suministrado por klistrones, que acelera las partículas. En un acelerador propiamente dicho, como el booster, la energía de las partículas aumenta cada vez que atraviesan la cavidad. En los anillos de almacenamiento, por contra, solo se suministra la energía necesaria para compensar las pérdidas por radiación sincrotrón.^{[26] [27]} Las cavidades RF también mantienen a las partículas agrupadas en paquetes que circulan a aproximadamente la misma velocidad, manteniendo la sincronía entre la fase del voltaje acelerador y la frecuencia de circulación del haz.^[26]

[editar] Elementos magnéticos

Imanes del anillo de almacenamiento del Sincrotrón Australiano. En primer plano, un sextupolo (en verde), seguido por un dipolo (en amarillo) y, parcialmente oculto detrás de este, un cuadrupolo (en rojo).

Los sincrotrones modernos utilizan dipolos, llamados imanes curvadores —bending magnets— para curvar la trayectoria del haz de partículas y cuadrupolos y sextupolos para mantener el haz enfocado. La separación de las funciones de deflección y focalización permite alcanzar una energía mayor y optimizar las propiedades ópticas del sincrotrón.^[28] Los imanes tienen los polos orientados perpendicularmente a la órbita. Los cuadrupolos pueden orientarse de tal manera que las componentes verticales y horizontales de las fuerzas magnéticas que ejercen sobre las partículas son independientes y se suele alternar su polaridad a lo largo de la cavidad del sincrotrón, es decir, se have converger y divergir el haz sucesivamente. Esta disposición, conocida como «celda FODO»^{[n. 1]} mantiene el haz colimado, importante tanto para maximizar el número de colisiones de partículas, como para producir luz sincrotrón coherente y concentrada. Los imanes sextupolos se utilizan para corregir las aberraciones de los cuadrupolos.^[28]

En los sincrotrones modernos utilizados para la producción de luz sincrotrón, los imanes se suelen disponer en diversas configuraciones, con el objetivo de lograr un haz de radiación lo más brillante posible. Una configuración muy utilizada es la «celda DBA» (Double Bend Achromatic) o «celda Chasman-Green», que en su versión más simple consiste en un par de imanes curvadores con una lente cuadrupolar en el centro.^[29] Este tipo de instalaciones cuenta además con dispositivos magnéticos compuestos de una secuencia de varios dipolos alternantes. Según la fuerza del campo magnético, estos aparatos se dividen en wigglers u onduladores. Ambos hacen seguir a los electrones una trayectoria oscilante, con un radio de curvatura menor que en los dipolos principales. Esto permite obtener radiación sincrotrón con propiedades diversas y mejor adaptadas a distintos tipos de experimentos.^[30]

[editar] Líneas de luz sincrotrón