Este documento describe lo que es un acelerador de partículas, sus tipos y aplicaciones. Un acelerador de partículas utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas a altas velocidades y hacerlas colisionar. Existen dos tipos principales: aceleradores lineales y circulares. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN es el mayor acelerador circular del mundo, donde se estudian las partículas resultantes de las colisiones de protones.

1. ACELERADOR DE
PARTICULAS
PROYECTO PLANCK
José Simmonds
Hastmed Carrera
André Urriola

2. ¿QUÉ ES UN ACELERADOR DE
PARTÍCULAS?
Es un dispositivo que utiliza
campos electromagnéticos para
acelerar partículas cargadas a
altas velocidades, y así, hacerlas
colisionar con otras partículas. es
un instrumento en forma de tubo o
túnel.

3. ¿PARA QUE SIRVE UN
ACELERADOR DE
PARTICULAS?
Sirve para acelerar a gran velocidad
partículas cargadas, utilizando campos
electromagnéticos, con el fin de que
éstas choquen con otras partículas.
Con el choque se generan nuevas
partículas, pero estas nuevas
partículas son demasiado inestables,
desapareciendo en milésimas de
segundo. Este choque que se produce
en el acelerador de partículas, nos
permite estudiar las partículas que
chocan a través de las nuevas que se
generan.

4. NOTA HISTORICA
El primer acelerador de partículas; el ciclotrón de Lawrence.
Lawrence concibió la idea del ciclotrón el año 1929.Lawrence diseñó un
ciclotrón, capaz de comunicar a las partículas subatómicas una energía de
hasta 1.200.000 eV, energía suficiente para provocar la desintegración del
núcleo atómico.
El primer modelo de ciclotrón estaba hecho de alambre y cera, y
probablemente costaba menos de $25 USD en total. Y funcionó: cuando
Lawrence aplicó 2.000 voltios de electricidad a su ciclotrón artesanal obtuvo
proyectiles de 80.000 voltios. Mediante máquinas cada vez mayores,
Lawrence fue capaz de proporcionar el equipamiento necesario para los

5. ¿TIPOS DE ACELERADORES
DE PARTICULAS?

6. ACELERADOR LINEAL
Los aceleradores lineales son una sucesión de tubos con placas colocados
en línea a los que se les aplica una corriente eléctrica alterna. Cuando las
partículas se acercan a esas placas, se aceleran puesto que la polaridad del
campo eléctrico es opuesta a la de la partícula. Cuando atraviesa esta
placa, la polaridad cambia, al invertir la polaridad, esta partícula es repelida,
acelerándose hacia la siguiente placa, donde sufrirá el mismo proceso.

7. Este proceso lo hemos visto aplicado a una sola
partícula, pero un acelerador de partículas no trata
una sola sino un haz de partículas, que al estar en
un ambiente controlado y pudiendo aplicar a cada
placa un potencial alterno controlado, pudiendo
repetir el experimento de forma continua para poder
observar mejor el comportamiento de estas
partículas.
De esta forma las partículas se van acelerando
hasta acercarse a la velocidad de la luz, con lo que
la necesidad de alternar los campos eléctricos a
gran velocidad, hace necesario operar con
frecuencias de microondas.
SLAC el acelerador lineal más largo del
mundo
Este tipo de aceleradores lineales se utilizan
muchas veces como primera etapa antes de
pasar a un acelerador de partículas circular.

8. ACELERADOR CIRCULAR
Los aceleradores de partículas circulares, emplean tanto campos
magnéticos como campos eléctricos, duplicando la potencia y consiguiendo
aceleraciones mayores en menor espacio, si además le añadimos que al ser
circular podemos mantener una configuración determinada el tiempo que
necesitemos necesario, pudiendo funcionar, teóricamente de forma
indefinida.
Sección circular
Pero en un acelerador capaz de hacer circular las partículas a tanta
velocidad, tiene un límite ya que cuando las partículas se cargan de
demasiada energía al ser aceleradas, emiten una radiación llamada
Sincrotrón. Cuando una partícula emite esta radiación pierde energía y esta
pérdida es proporcional a la aceleración impartida. Es decir, cuanto mayor
es la aceleración más energía pierde una partícula.

9. El LHC es el acelerador de partículas mas grande del mundo actualmente hasta la fecha del 2019

10. Esta radiación llamada luz sincrotrón, puede ser
aprovechada como fuentes de Rayos X de alta energía.
Esta radiación se produce principalmente con los
electrones, ya que son las partículas más ligeras, por lo
que cuando se quiere generar grandes cantidades de
esta luz sincrotrón, se utilizarán electrones.
Luz sincrotrón
Para estudios científicos de energía se utilizan para
acelerar las partículas más pesadas, como los protones.
Con los protones o núcleos ionizados, las partículas se
acelerarán sin llegar a la radiación, pudiendo cargarlos
con mayor energía.
Consejo Europeo para la Investigación Nuclear (CERN),
ahora llamado Organización Europea para la
Investigación Nuclear, aunque sigue manteniendo sus
antiguas siglas, ha construido el mayor acelerador de
partículas circular del mundo. Preparado para estudiar las
alteraciones que se producen al colisionar un haz de
electrones con otro de positrones que circulan en sentidos
contrarios.

11. Aceleradores de bajas energías
Los aceleradores de bajas energías se encuentran presente en la vida
cotidiana. Ejemplos muy sencillos de estos aceleradores, de electrones
principalmente, son los televisores que utilizan tubos de rayos catódicos,
los cuales pueden considerarse aceleradores lineales de una sola etapa.
Otro ejemplo es el equipo de rayos X, que pueden encontrarse en las
clínicas y hospitales.
Estos aceleradores de bajas energías utilizan un único par de electrodos
a los que se le aplica una diferencia potencial de algunos miles de voltios.
En este tipo de aceleradores, se utiliza un filamento metálico, al que se le
hace circular una corriente eléctrica produciendo su calentamiento y
emitiendo de este modo electrones.

13. Aceleradores de altas energías
Aceleradores lineales
Los aceleradores lineales de altas energías utilizan un conjunto de placas
o tubos situados en línea a los que se le aplica un campo eléctrico
alterno. Cuando las partículas se aproximan a una placa se aceleran
hacia ella al tener una polaridad opuesta a esta placa. Justo cuando se
traspasa esta placa la polaridad se invierte, de forma que en ese
momento la placa repele la partícula, acelerándola hacia la placa
siguiente.
En el paso 1 la partícula es atraída, por lo tanto acelerada, hacia la
primera placa.
En el paso 2 la partícula es repulsada por la primer placa y atraída por la
segunda placa, con lo cual, la partícula sigue acelerando.
En el paso 3 se vuelve a repetir los pasos anteriores hasta la última
placa.

15. LAS APLICACIONES DE UN
ACELERADOR DE
PARTICULAS
Al tratarse de investigaciones muy recientes y en continuo avance,
las aplicaciones pueden ser extraordinarias. En Medicina, la
utilización de chorros o haces de partículas se utilizan en terapias
para el tratamiento del cáncer, también en el desarrollo de los radio-
fármacos.
•Prototipo Tratamiento de Cáncer Los tratamientos con láser ya son
muy conocidos en algunas terapias y cirugías, como en las
operaciones oculares donde se pueden retirar tejidos dañados
•Para poder dividir los residuos nucleares, separando los residuos de
larga duración y transformarlos en materia inofensiva e inocua. Lo que
supondría un gran avance para la protección Medioambiental

17. ¿CÓMO FUNCIONA UN
ACELERADOR DE
PARTICULAS?
En primer lugar, se tiene un emisor de electrones El emisor suele ser un
metal que está conectado a la corriente eléctrica y se calienta mucho. Los
electrones del metal, a una temperatura elevada, se agitan tanto que son
capaces de escapar de él este efecto se denomina efecto termoiónico.
Una vez se tienen estos electrones libres, se aceleran utilizando un par de
electrodos dentro de un tubo en el que hay un vacío imperfecto, uno
negativo y otro positivo

19. Aceleración y Colisión
El haz de partículas producido es utilizado en el acelerador, donde
campos eléctricos atraen o repelen esas partículas cargadas,
produciendo una aceleración.
El sentido y la dirección de estas partículas son controlados por medio de
campos magnéticos asociados a imanes gigantes colocados a lo largo
del acelerador. Esos campos magnéticos tienen que ser más intensos a
medida que la velocidad de la partícula aumenta, pues con la
aceleración, esas partículas aumentan también su energía cinética,
volviéndose más difícil cambiar su trayectoria. Con una energía bastante
mayor, el haz de partículas colisiona con un blanco, donde detectores
van a recoger informaciones de acuerdo con el interés de los
investigadores.

21. TERMINOS CLAVES
Hadrón
Un hadrón es una partícula subatómica que experimenta una fuerza
nuclear. Estos hadrones están compuestos por quarks y antiquarks y
gluones que actúan de intermediarios para la fuerza de color que unen a
los quarks entre sí.
Quark: Son los constituyentes fundamentales de la materia. Varias
especies de quarks se combinan de manera específica para formar
partículas tales como protones y neutrones.
Antiquark: es la antipartícula que corresponde a un Quark. Posee la
misma masa, pero distinta carga eléctrica que el Quark.

30. GRAN COLISIONADOR DE
HADRONES Large Hadron Collider, LHC

31. EL GRAN COLISIONADOR DE
HADRONES (LHC)
Es el mayor acelerador de partículas del
mundo. En este experimento, los físicos
del Laboratorio Europeo de Física de
Partículas (CERN) hacen chocar entre sí
partículas subatómicas (principalmente
protones, uno de los constituyentes del
núcleo del átomo) en puntos
seleccionados donde se ubican grandes
detectores (ATLAS, CMS, LHCb y
ALICE). Estos registran las partículas
resultantes de las colisiones para estudiar
los elementos que componen la materia
de la que está hecha el Universo,
incluidos nosotros mismos, y sus
interacciones.

32. Situado en la frontera franco-suiza cerca de Ginebra, el
LHC es un anillo de 27 kilómetros de circunferencia
ubicado a 100 metros bajo tierra. Es una de las máquinas
más complejas construida nunca: sus 9.300 imanes
superconductores, fundamentales para hacer girar los
haces de partículas a velocidades cercanas a las de la
luz, deben refrigerarse a una temperatura inferior a la del
espacio exterior (-270 grados centígrados, cerca del cero
absoluto); el interior del anillo es el lugar más vacío del
Sistema Solar (10-13 atmósferas) para evitar que las
partículas colisionen con moléculas de gas; y cuando las
partículas colisionan entre sí se generan temperaturas
100.000 veces más calientes que el interior del Sol.

35. DETECTORES DE
PARTÍCULAS
Los seis experimentos que se llevarán a cabo con el LHC serán en
conjunto con colaboraciones internacionales.
Dos grandes experimentos, ATLAS y CMS, están basados en detectores
para propósitos generales para analizar miríadas (nombre griego para el
número 104) de partículas producidas por la colisión en el acelerador.
Dos medianos experimentos, ALICE y LHCb, tienen detectores
especializados para el análisis de las colisiones en relación con
determinados fenómenos.
Dos experimentos, TOTEM y LHCf, son mucho menores a los anteriores.
Están diseñados para focalizarse en iones pesados y protones.

36. Los detectores ATLAS, CMS,
ALICE y LHCb están instalados
en cuatro enormes “cavernas”
bajo tierra localizadas alrededor
del anillo del LHC. Los detectores
usados por el experimento
TOTEM está posicionado cerca
del detector CMS, mientras que
los utilizados por el LHCf están
cerca del detector ATLAS.

37. El ATLAS es un detector
multipropósito. Cuando
los haces de protones
producidos por el
acelerador interactúen
en el centro del detector.
El CMS compacto de
muoneses uno de los
dos detectores de
partículas de propósito
general del Gran
Colisionador de
Hadrones, que colisiona
haces de protones en el
CERN.
El LHCb es un
experimento
especializado en física del
quark b, algunos de cuyos
objetivos son la medida
de parámetros de
violación de simetría CP
en las desintegraciones
de hadrones que
contengan dicho quark
ALICE Gran Colisionador
de Iones

38. OBJECTIVOS DEL LHC
Los físicos confían en que el LHC proporcione respuestas a las siguientes
cuestiones:
• Qué es la masa (se sabe cómo medirla pero no se sabe qué es realmente).
• El origen de la masa de las partículas (en particular, si existe el bosón de Higgs).
• El origen de la masa de los bariones .
• Cuántas son las partículas totales del átomo
• Por qué tienen las partículas elementales diferentes masas (es decir, si
interactúan las partículas con un campo de Higgs)
• El 95% de la masa del universo no está hecho de la materia que se conoce y se
espera saber qué es la materia oscura .
• La existencia o no de las partículas supersimetrías .
• Si hay dimensiones extras, tal como predicen varios modelos inspirados por la
Teoría de cuerdas, y, en caso afirmativo, por qué no se han podido percibir.
• Si hay más violaciones de simetría entre la materia y la antimateria.

39. MÁS DE 9000 FÍSICOS
El LHC reúne la concentración
mas grande de
investigadores,cientificos,fisicos y
ingenieros electronicos,mecanicos
y informáticos gracias a la
colaboración de sus estados
miembros:
Alemania,Australia,Belgica,Dinam
arca,España,Finlandia,Francia,Gre
cia,Hungria,Portugal,La Republica
eslovaca, La Republica Checa, el
Reino Unido, Suecia y Suiza. La
federación de
Rusia,Israel,Turquia,Yugoslavia,la
comisión de las comunidades
europeas y la UNESCO

40. APORTES DEL LHC A LA
HUMANIDAD
7 importantes
descubrimientos
realizados por el CERN

41. 1. La World Wide Web
Dejando la física de partículas a un lado, el CERN es el lugar de
nacimiento de uno de los inventos más conocidos del mundo: la World
Wide Web (www). Inventada por el científico británico Tim Berners-Lee,
en 1989, la Web fue diseñada originalmente como un sistema para que
los científicos de instituciones de todo el mundo pudieran compartir
información rápidamente. El software www fue puesto en el dominio
público en abril de 1993 y estuvo disponible para que cualquier persona
pudiera ejecutarlo desde un servidor o un navegador básico. Hoy es una
herramienta empleada por millones de personas que se conectan a
internet cada día.

42. 2. La violación de la simetría de
paridad de cargas
Uno de los misterios de la cosmología
es la forma en la que la materia existe
a pesar de la presencia de antimateria
en el universo, ya que los dos tienden a
aniquilarse entre sí. A primera vista, las
leyes de la física deben ser las mismas
si una partícula se sustituyera con su
antipartícula, un concepto conocido
como la simetría de paridad de carga.
Pero los físicos nucleares James
Cronin y Val Fitch del CERN fueron
capaces de demostrar que la paridad
de carga es violada y ello explica que a
pesar de todo el Universo exista. Por
este descubrimiento ganaron el Premio
Nobel en 1980.

43. 3. La antimateria
La antimateria se compone de partículas
que tienen la misma masa que una
partícula de materia, pero con carga
eléctrica opuesta (entre otras
propiedades). Cuando la materia y la
antimateria se combinan, se aniquilan
entre sí, liberando enormes cantidades
de energía. En 1995, los científicos del
CERN lograron crear una forma de
antimateria llamada anti-hidrógeno, una
versión con carga negativa del hidrógeno.
Sin embargo, la antimateria chocó con la
materia y fue aniquilado antes que los
científicos pudieran estudiarla. En 2010,
se logró crear y acorralar antihidrógeno
por alrededor de una sexta parte de un
segundo, y en 2011, se mantuvo la
antimateria durante más de 15 minutos.

44. 4. Los neutrinos ligeros
En 1989, los científicos del CERN descubrieron lo que se conoce como
neutrinos ligeros. Estas partículas elementales son muy difíciles de
detectar debido a que no tienen carga, tienen muy poca o ninguna masa
y raramente interactúan con otras partículas, por lo que a veces se les
llama “partículas fantasmas”. Su descubrimiento se hizo gracias al Gran
Colisionador de Electrones-Positrones, utilizando un detector llamado
ALEPH.

45. Los neutrinos son partículas subatómicas de tipo fermiónico, sin carga y espín ½.

46. 5. Los bosones W y Z
Una década después del descubrimiento
recién mencionado, en 1983, gracias al
Acelerador de Partículas llamado Súper
Sincrotón de Protones, los científicos
descubrieron los bosones W y Z, las
partículas elementales que median en la
fuerza débil. El bosón W tiene dos
variantes con la misma masa, pero cargas
eléctricas opuestas (W+ y W-) , mientras
que Z no posee carga. Su descubrimiento
fue esencial para avanzar en el Modelo
Estándar y por ello sus descubridores
Carlo Rubbia y Simon van der Meer
fueron galardonados con el Nobel, en
1984.

47. 6. Las corrientes neutras débiles
Fue uno de los primeros grandes
descubrimientos del CERN, en 1973, y fue
posible gracias a una cámara de burbujas
llamada Gargamelle. Las corrientes
neutras débiles son una manera en la que
las partículas subatómicas interactúan
entre sí y es una de las cuatro
interacciones fundamentales de la física de
partículas. Su hallazgo permitió unificar
dos de las interacciones fundamentales de
la naturaleza (el electromagnetismo y la
fuerza débil), descubriendo así lo que se
conoce como fuerza electrodébil. Sus
predictores Abdus Salam, Sheldon
Glashow y Steven Weinberg recibieron el
premio Nobel en 1979.

48. 7. EL BOSÓN DE HIGGS “La
Partícula de Dios”
Comenzamos con el que posiblemente
sea el más famoso descubrimiento
realizado en el CERN gracias al que con
seguridad es su último instrumento
estrella: el Gran Colisionador de
Hadrones (LHC). En 2012, después de
décadas de teorías y experimentos, por
fin fue hallado el esquivo bosón de
Higgs, la última pieza del rompecabezas
en el Modelo Estándar de la física de
partículas y que tardaría varios meses
en confirmarse definitivamente,
causando un gran revuelo mediático.
Este hecho histórico para la ciencia le
valió el Premio Nobel de Física 2013 a
Peter Higgs y François Englert, los
predictores de la existencia del bosón.

50. PELIGROS DE UN
ACELERADOR DE
PARTICULAS
un profesor de Cosmología de la Universidad
de Cambridge. Reese publicó un libro a finales
de 2018 llamado On The Future: Prospects for
Humanity en donde explica de qué manera un
acelerador de partículas podría destruir la
Tierra.
*Un agujero que lo devorara todo
La primera opción es que el acelerador hiciera
que apareciera un agujero negro. Escribe
Rees: “Podría ser que se formara un agujero
negro y que empezara a tragarse todo lo que
tiene alrededor”.

51. *Strangelets
La segunda opción de acuerdo
con Rees es que los quarks, que
son componentes básicos de
partículas como protones y
neutrones, se volvieran a
ensamblar en otros objetos
densamente comprimidos a los
que denominan “strangelets”. Así
lo explica el cosmólogo:
Ese hecho, en sí mismo,
resultaría inofensivo.

52. *Catástrofe cósmica
La tercera opción es la peor para Rees pues se trataría de
algo que denominó como “una catástrofe que se tragaría al
espacio mismo”.
Para el cosmólogo el vacío es mucho más que la nada: es
el escenario donde se concentran todas las fuerzas y
partículas en potencia que gobiernan el mundo físico, sin
embargo, el vacío puede ser frágil e inestable, una realidad
que está amenazada por los aceleradores:
Algunos han especulado con el hecho de que la
energía concentrada que se crea cuando las partículas
chocan entre sí (en un acelerador), podría
desencadenar una “transición de fase” que rasgaría el
tejido del espacio. Y eso sería una calamidad cósmica,
no sólo terrestre.

54. EL NUEVO LHC
Los planes de CERN serán evaluados por un panel internacional de
físicos de partículas mientras se desarrolla una nueva estrategia europea
para la física de partículas que se publicará en 2020.
El proyecto implica construir gradualmente un anillo de 100 km que es
casi diez veces más potente que el actual LHC.
"Este programa es muy ambicioso, muy emocionante y sería mi plan A",
dijo.
La propuesta consiste en cavar un nuevo túnel bajo CERN e instalar un
anillo que inicialmente colisionaría electrones con sus contrapartes
cargadas positivamente, los positrones.

55. A pesar de que todo esto suena demasiado mal, el
Grupo de Evaluación de Seguridad del LHC (LSAG)
mantiene que el gran colisionador no representa
ningún tipo de peligro.
¿El argumento? LSAG sostiene que la naturaleza ha
hecho durante la historia del Universo miles de veces
el mismo proceso que los aceleradores cuando llevan
a las partículas a chocar en su interior, y que nunca le
ha sucedido nada a la Tierra.
Hawking: pueden estar tranquilos
Incluso el mismísimo Stephen Hawking opinó sobre
los aceleradores y el famoso físico estaba convencido
de la seguridad de estas enormes y potentes
máquinas:
Las colisiones que liberan la mayor cantidad de
energía ocurren millones de veces al día en la
atmósfera terrestre y no ha pasado nada terrible.

56. La etapa dos implicaría instalar un anillo más
grande para colisionar los núcleos de los átomos
de plomo (grandes hadrones) con los electrones.
Las etapas uno y dos sentarían las bases para el
paso final de colisionar grandes hadrones entre
ellos.