Proyecto Final. Acelerador de partículas casero.

Acelerador de partículas casero.

Elaborado por: Guzmán Martínez José Emilio, Becerril Ortiz Diego Armando, Paredes Ayala Gabriel Andremar, Goméz Valencia Emilio 

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Justificación

El experimento propuesto imitará uno de los fenómenos más importantes realizado por el hombre en el siglo pasado y el actual, que nos permite no solo entender la composición de la materia, sino que también nos permite comprender mejor su comportamiento.

El propósito de este experimento es que alumnos y maestros conozcan de manera general los principios del funcionamiento de un Acelerador de Partículas, a través de una explicación amena pero concisa del funcionamiento de uno de ellos, y la observación de uno de manufactura casera mientras recrea las acciones realizadas por uno de verdad, y  así se incremente su interés y entusiasmo por comprender este fenómeno.

¿Quieres saber cómo funciona un acelerador de partículas?

Desarrollo

Cuerpo preliminar de la investigación

Hay diversos tipos de aceleradores de partículas tales como el ciclotrón, los aceleradores lineales y los aceleradores tipo Van de Graaff. Los primeros aceleradores de partículas se construyeron con el fin de estudiar experimentalmente la estructura del núcleo atómico, por medio de colisiones las que podían originar reacciones nucleares. La importancia de estos instrumentos en la física de de partículas es similar a la del telescopio en astronomía o al microscopio en biología. Actualmente el uso de los aceleradores se ha extendido a otras áreas de investigación básica como la física atómica y la medicina.

Los parámetros más importantes que caracterizan a un acelerador son: el tipo de partículas que pueden acelerar, el flujo o número de estas y su energía cinética. El número de partículas que produce un acelerador es relativamente fácil de medir ya que el haz de partículas da origen a una corriente eléctrica y su intensidad se expresa en amperios generalmente.

El principio de funcionamiento del cualquier tipo de acelerador, está en función de la interacción de los campos eléctricos producidos por fuentes de voltaje sobre la carga eléctrica de las partículas generadas en la fuente de iones.

En un acelerador lineal, los iones son acelerados en una trayectoria rectilínea. Este acelerador se usa para acelerar los iones un oscilador de radio frecuencia, el cual acelera a los iones cuando se encuentran entre dos electrodos contiguos y la energía final es la acumulada por las aceleraciones que ocurre entre cada dos electrodos. La energía final es proporcional al número de electrodos.

En los aceleradores electrostáticos los voltajes que se utilizados para incrementar la velocidad de las partículas son de corriente directa y son generados por el transporte mecánico de cargas eléctricas, y en los aceleradores tipo Van de Graaff, la carga eléctrica son transportadas por bandas de un material hecho a base de hule y modernamente por un sistema llamado "pelletron", que usa cadenas para el transporte de cargas.

Para poder llevar a cabo el trabajo de hacer chocar protones a una alta energía, el LHC necesita una cámara de vacío con forma de tubo que pasa por todo el perímetro del anillo. La temperatura allí es extremadamente baja, haciendo de la máquina el lugar mas frío del universo. El acelerador funciona a -271 grados centígrados. Irónicamente, el LHC también es uno de los lugares más calientes del universo. Pues las colisiones producidas allí se generan a temperaturas de hasta 100000 veces la temperatura que se da en el núcleo de nuestro Sol.

Para que los protones en el LHC sigan una trayectoria curva alrededor del anillo es necesario que interactúen con un campo magnético muy fuerte producido por enormes dipolos. Estos dipolos trabajan bajo el mismo principio que los electromagnetos de los motores de los carros, grúas y hasta computadoras.

El acelerador esta formado por 1232 dipolos y cada uno mide 15 metros de longitud. Además, se emplean 500 cuadrepolos para enfocar el haz de partículas evitando que se dispersen, y más de 7500 imanes correctivos estabilizan el haz lo más cerca posible de la trayectoria deseada.

Los dipolos ya mencionados deben de producir campos magnéticos de 9 teslas. ¿Y cómo se logra esto? Con la superconductividad. El acelerador usa alambres superconductores con los cuales se pueden tener hasta 12000 amperes circulando en los magnetos. Estos alambres son alambres de niobio titanio que se vuelve superconductor a los -264 grados centígrados. 

¿Quieres saber sobre superconductividad?

El acelerador tiene 2 tubos, en los cuales viajan protones en contraflujo en el mismo sistema. Como todo acelerador, el LHC tiene grandes detectores que ven con gran exactitud lo que ocurre cuando colisionan ciertas partículas. Estos detectores procesan hasta más información que la red de telecomunicaciones de todo el mundo.

Los detectores son gigantescos, y en el centro de ellos se hacen chocar protones con una frecuencia de 600 millones de veces por segundo.

Uno de los detectores más importantes del LHC, es ALICE (A Large Ion Collider), cuando se aceleran iones de Pb, el detector ALICE registra lo que sucede.

ALICE es uno de los proyectos científicos más grandes del mundo donde se estudia la materia y su comportamiento a nivel microscópico. Este proyecto fundamentalmente tiene como objeto responder las siguientes preguntas:

- ¿Qué pasa con la materia cuando es sometida a condiciones de temperatura, presión y densidad extremas?

- ¿Cómo era el universo unos microsegundos después del Big Bang?

- ¿Se pueden liberar a los quarks?

El Modelo Estándar nos habla sobre el mecanismo a través del cual los bosones (partículas intermediarias de la fuerza) de la fuerza nuclear fuerte, los gluones, mantienen los quarks juntos para formar bariones(partículas pesadas conformadas por 3 quarks o 3 antiquarks) y mesones(partículas con masa media, formadas por un quark y un antiquark).

Por lo que ALICE se enfrentan a dos grandes incógnitas.

1)  No se pueden observarr quarks aislados, pues siempre se encuentran junto con gluones

2) Protones y neutrones contienen quarks y gluones, pero la masa de esos quarks suma apenas un porcentaje de la masa total de cada hadrón(apenas un 1%). ¿De dónde viene el otro 99%?

La Cromodinámica cuántica es una teoría cuántica de campos, ya que nos habla de un campo del gluón y de un campo para cada tipo de los 6 diferentes tipos de quarks que hay. Esta teoría predice que las altas temperaturas disminuyen la fuerza nuclear fuerte. Si se generan temperaturas de billones de grados, se produce un estado de la materia 
exótico, un plasma de quarks y gluones. Se estima que la temperatura es de dos billones de grados. Ese estado de la materia será estudiado en el LHC a través de la colisión de iones de plomo en ALICE. Para lograr esto, se aceleran iones de plomo a velocidades extremas. De acuerdo con la relatividad los iones se contraen en la dirección de vuelo y en el momento del choque se libera una cantidad enorme de energía que separa a los quarks y a los gluones. Pero este disconfinamiento de quarks y gluones sólo dura .00000000000000000000001 segundos.

¿Quieres saber más sobre la Cromodinámica cuántica?

Los sistemas de detección de ALICE están ordenados en capas alrededor de 2 grandes electromagnetos. Los magnetos doblan la trayectoria de las partículas cargadas haciendo posible la medición de su carga y de su cantidad de movimiento que poseen. Por otra parte, la cámara de proyección temporal de ALICE es la más grande en el mundo. Esta se trata de un cilindro de 5 metros de longitud y 5 metros de diámetro que está lleno de gas y sujeto a un campo eléctrico, cuando una partícula cargada pasa por el gas, arranca electrones de los átomos que lo conforma, los electrones liberados se mueven hacia las tapas donde se encuentra un detector de finos alambres que mide la llegada de la partícula. Con esta información se puede reconstruir la trayectoria de la partícula.

Otro detector de ALICE es el llamado “tiempo de vuelo”, el cual mide el tiempo que tardan las partículas en llegar hasta el a partir del momento que son producidas. Este detector consiste en placas de vidrio separadas por un fino hilo, en estas placas se producen chispas cuando las partículas pasan. Si se conoce la distancia de vuelo (la cual es fija), es posible saber que partículas pasan sobre el detector, ya que este es sensible a la masa y pues sabemos que las partículas más pesadas tardarán más en llegar al detector. La diferencia de tiempo de vuelo de dos partículas es proporcional a la diferencia de sus masas.

Otro dispositivo de ALICE, es el calorímetro, este mide energía. Este compuesto por un arreglo de 18000 cristales muy limpios y muy densos, estos cristales centellan cuando pasan fotones producidos por una reacción y la luz producida sirve para medir la temperatura de la fuente que los produjo, pues los cristales sirven como termómetro de la “mezcla de quarks y gluones" Los cristales de tungstenato de plomo también se usan en otro detector importantísimo del LHC, el CMS (Compact Muon Solenoid). Y ahora esta tecnología es utilizada en la obtención de imágenes médicas.

Uno de los detectores mexicanos que opera en ALICE, es un detector de sistema de disparo. El detector sistema de disparo que opera en ALICE esta formado por dos dispositivos que en conjunto constituyen el detector V0. El V0 se conforma por el dispositivo V0A y V0C, V0A fue construido y diseñado en México y V0C en Francia. Estos detectores son dos discos formados por 32 celdas aisladas de plástico centellador, estos discos están colocados a uno y otro lado del punto de interacción. La cubierta del detector V0C esté hecho de fibra de carbón. Y la cubierta de V0A es de euro composite, un material ligero y rígido. En los 2 detectores, la luz que emiten los elementos centelladores es colectada por un conjunto de fibras ópticas que llevan la luz varios metros hasta los fotobulbos multiplicadores que convierten la luz en un pulso eléctrico.

En conclusión, hay diferentes tipos de aceleradores de partículas, pero todos se rigen bajo los principios de una fuente de voltaje, fuente de iones, electrodos, dipolos, magnetos, imanes, electromagnetos, osciloscopios, medidores como multímetros, amperímetros, sensores de temperatura, generadores de onda, de radiofrecuencias, instrumentos electrónicos con tecnología VME, CAMAC y NIM así como unidades lógicas, convertidores análogo y tiempo a digital, amplificadores. 


Aquí les dejamos un vídeo demostrativo en el cual nos basamos para este proyecto. 

Componentes Utilizados

 

Resultados

I.- Éxito

El experimento se realizó en las instalaciones de la escuela, solicitando al maestro el uso de una de las horas de clase. Se utilizó una caja de plástico que cubrió el acelerador para llevar a cabo una prueba, y comprobar que los dispositivos funcionaran correctamente. Posteriormente, se volvió a llevar a cabo el experimento sin la caja. Se observó que la bolita de metal viajó a través de las mangueras, emulando el movimiento de una partícula dentro de un acelerador real.

II.- Fracaso

Escenario 1: Las programación para controlar el acelerador es errónea, por lo que el prendido y apagado del dispositivo no puede hacerse correctamente, y falló el experimento.

Escenario 2: Problemas con los circuitos, tales como un mal armado de este, la elección de componentes equivocados, daños en algunos de ellos, o errores en los cálculos para garantizar el flujo correcto de electricidad provocaron que el acelerador no funcionara correctamente, por lo que el movimiento de la bolita de metal fue errado.

Escenario 3: La energía eléctrica y mecánica, además de la elección incorrecta de componentes para construir el circuito, dieron como resultado un aumento de temperatura excesivo que dañó al propio circuito.

Escenario 4: El mal funcionamiento del acelerador, a causa de un mal montaje, programación errónea, elección equívoca de componentes, u otros factores, derivaron en el desarme o destrucción de alguna parte del acelerador de partículas casero.

Interpretación de Resultados

I.- Éxito: Se pudo observar cómo es que el Acelerador de Partículas casero logro emular a un acelerador de partículas real, y el sustento teórico expresado en avances anteriores fue comprobado empíricamente. Este experimento es una prueba fehaciente de que fenómenos pertenecientes a campo de la Física Cuántica, además de ser replicables a distinta escalas, son más comunes de lo que pensamos, por lo que la manera para concebir y conocer la física debe cambiar.

II.- Fracaso: El experimento no logró recrear a pequeña escala la aceleración de una partícula subatómica o elemental, debido a fallas en el montaje, que tuvieron que ver con el circuito utilizado, el uso de componentes incorrectos y materiales que sufrieron daños. Una de las causas fue la falta de organización para trabajar en equipo, presente durante todo el desarrollo del proyecto, además que algunos de los integrantes no contaron con una adecuada disposición para el trabajo, lo que dificulto su correcto avance. 

Conclusión

El experimento ha concluido. Y podemos decir que cumplió su fin. Independientemente de su resultado, nos llevamos un aprendizaje significativo. Hemos observado a pequeña escala uno de las estructuras más complejas e imponentes creada por la Ciencia, la cual ha cambiado recientemente los paradigmas del saber. Para algunos de los miembros, el equipo aún resulta incomprensible algunos aspecto teóricos que sustentan el experimento, sin embargo, para otros, no hubo más que fascinación cuando lograron entender muchos de los principios aplicados a esta máquina.

Además de lo anterior, el equipo llegó a otra conclusión: los humanos aún estamos lejos de comprender en su totalidad la naturaleza de las leyes que rigen el Universo. Contrario a lo que los científicos y otras mentes brillantes vaticinan, el hombre no podrá explicar ni demostrar fenómenos que suceden a su alrededor. Sin embargo, esta postura pesimista no tiene como objetivo menospreciar el trabajo realizado por una serie innumerable de genios, pues ha sido gracias a su esfuerzo que todo el desarrollo científico y tecnológico alcanzado existe, y éste mejora la vida no solo del humano, sino también de otras especies, de una manera inimaginable hace solo un par de décadas. No solo se debe reconocer el trabajo de las mentes brillantes en función del fin que alcanzaban –el de dar a la humanidad un mejor entendimiento de la realidad que lo rodea-, también hay que congratularlos por el camino que trazaron, porque otros los siguieron y contribuyeron a la Ciencia a su manera. En la coyuntura de nuestro experimento, se encuentraron implicadas bases científicas de diversos campos de la física, especialmente de las ramas de Física Cuántica y Electromagnetismo. Personajes como Maxwell, Nicolás Tesla, Thomas Alva Edison Y Max Planck, entre muchos otros, investigaron diferentes ámbitos de los fenómenos eléctricos y magnéticos.  Y fue la inteligencia de éstos y más personajes de la Ciencia lo que permitió encontrar la relación de dichos campos, y establecer nuevas leyes que permitieran explicar las interacciones observadas –e incluso algunas desconocidas- en el pasado y en el presente. 

En el último punto, hay que reconocer la importancia que los aceleradores de partículas tienen por sí mismos. Éstos han sido parte vital del desarrollo de la Física desde los primeros experimentos de Rutherford hasta los tiempos modernos donde ha sido necesario construir aceleradores de gran tamaño para adentrarnos al mundo de las partículas elementales que conocemos. Los aceleradores no solo han determinado los momentos más importantes de la Física, sino que también cuentan con numerosas aplicaciones en la industria, la medicina nuclear, y otros campos se han derivado de ellos, y han promovido el desarrollo tecnológico de una forma que quizás ninguna otra área puede igualar. La tecnología de superconductores tuvo un gran impulso debido a la necesidad de construir imanes y dipolos con campos magnéticos cada vez más grandes para los aceleradores de punta (como los dipolos del CERN, que generan una fuerza igualitaria al peso de 14 aviones Boeing 747 cargados). La tecnología de Radio Frecuencia se ha beneficiado ampliamente de los desarrollos hechos en aceleradores donde este campo es de vital importancia. La web tal como la conocemos actualmente tuvo sus origines en el CERN como una respuesta a la necesidad de comunicación permanente entre los muchos físicos que diseñaban, comisionaban y operaban gigantescos aceleradores. A nivel mundial, los aceleradores se han convertido en proyectos clave para el desarrollo y el avance científico y tecnológico de un país. Decenas de miles de ellos son usados en la industria, la medicina y actividades de investigación no relacionadas con física nuclear. Los cientos de aceleradores que existen para investigación en física nuclear y de partículas son generalmente complejos de alta tecnología donde además de generarse nuevo conocimiento, también se genera y transmite permanentemente nuevas tecnologías a diversos sectores del saber científico y a la sociedad en general. Especial importancia han cobrado en los últimos años las llamadas fuentes de luz. Las fuentes de luz son aceleradores circulares de electrones que emiten la llamada radiación de sincrotrón que en esencia es radiación electromagnética de altas intensidades que puede ir desde el espectro visible hasta los rayos X. Esta radiación tiene amplias aplicaciones no solo en Física sino en muchas otras áreas como la biología, la medicina y la química. La mayoría de estas fuentes de luz se encuentran en los países desarrollados a donde usuarios en diversas ramas de la ciencia y la industria y de diferentes partes del mundo acuden para poder realizar sus experimentos. Dentro de los países en desarrollo solo en Brasil existe una de estas fuentes de luz que presta servicios a las comunidades científicas de Latinoamérica y el mundo. México ha sido un país muy presente, de igual manera, en este campo, en el CERN, sobre todo, en la elaboración de uno de los 16 dispositivos que conforman ALICE(A Large Ion Collider) el dispositivo(sistema de disparo, para ser más concretos) V0A. No obstante, su participación es menor, y en un futuro, la comunidad científica tiene la misión de colaborar y proponer nuevos proyectos no solo con el CERN, sino con todos los centros de estudios científicos de todas las ramas con las que se pueda hacer equipo. Lamentablemente, las políticas de gobierno actual parece que relegan la Ciencia a segundo plano, por lo que los jóvenes, así como algunas de las generaciones que nos preceden y aquellas que vienen después, tienen la responsabilidad de restituir su prestigio en México. 


Universidad Nacional Autónoma de México
Escuela Nacional Preparatoria No. 9 "Pedro de Alba"