Campo magnético: Gran colisionador de hadrones LHC

El Gran Colisionador de Hadrones (en inglés Large Hadron Collider, LHC) es un acelerador y colisionador de partículas ubicado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, sigla que corresponde a su antiguo nombre en francés: Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza. Fue diseñado para colisionar haces de hadrones, más exactamente de protones, de hasta 7 TeV de energía.

Dentro del colisionador dos haces de protones son acelerados en sentidos opuestos hasta alcanzar el 99,99 % de la velocidad de la luz, y se los hace chocar entre sí produciendo altísimas energías (aunque a escalas subatómicas) que permitirían simular algunos eventos ocurridos inmediatamente después del big bang.

Para controlar estos haces tan energéticos, el LHC utilizará unos 1.800 sistemas de electroimanes s u p e r c o n d u c t o r e s hechos de niobio y titanio. A bajas temperaturas estos e l e c t r o i m a n e s pueden conducir la electricidad sin resistencia, creando campos magnéticos mucho más fuertes que los creados por electroimanes convencionales .
Los electroimanes del LHC funcionan a una temperatura de sólo 1,9 K (–271 ºC). La intensidad del campo magnético se mide en una unidad llamada tesla. El campo magnético generado en el LHC es de unos 8 teslas. Los imanes “calientes” convencionales alcanzan como máximo un campo de 2 teslas.

El LHC es el acelerador de partículas más grande y energético del mundo. Usa el túnel de 27 km de circunferencia y 175 m de profundidad creado para el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP en inglés) y más de 2000 físicos de 34 países y cientos de universidades y laboratorios han participado en su construcción.

Observa el siguiente vídeo del LHC en 360º con tu tablet o con gafas de realidad virtual.

El primer  acelerador circular de partículas fue el ciclotrón.

El físico estadounidense Ernest O. Lawrence fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1939 por el invento y desarrollo del ciclotrón, un dispositivo para acelerar partículas subatómicas.

Lawrence desarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Es una especie de acelerador lineal arrollado en una espiral. La máquina tiene dos cámaras de vacío huecas, llamadas des con una rendija entre ellas (su forma es la de dos D mayúsculas opuestas entre sí) perpendiculares a un campo magnético uniforme.

Entre las D se aplica una diferencia de potencial de modo que una partícula cargada liberada en el centro del ciclotrón es acelerada de una D a la otra, donde el campo magnético hace que tenga una trayectoria semicircular(fuerza de Lorentz).

En el momento que sale de la D la diferencia de potencial cambia de polaridad y la carga se vuelve a acelerar. Esto se repite hasta que la carga sale del acelerador. En cada paso por la rendija la partícula se acelera y en cada D va aumentando el radio de la trayectoria hasta que sale del ciclotrón. 

La diferencia de potencial debe variar en un intervalo de tiempo igual a T/2 siendo T el tiempo que tarda la partícula en dar una vuelta.

A diferencia de un ciclotrón que usa un campo magnético constante (que hace que las partículas giren) y un campo eléctrico constante (para acelerar las partículas),  en el sincrotrón ambos campos se hacen variar para mantener el camino de las partículas de forma constante, o sea, el radio no varía demasiado.

Actividades

  1. Calcula la velocidad de un protón que es acelerado por un ciclotrón cuyo campo magnético es 1,5 T y cuyo radio es 0,5 m.
  2. Las cajas, en forma de D, de un ciclotrón están colocadas en el interior de un campo magnético uniforme de 0,3 T. Si se introduce dentro del ciclotrón una fuente de protones, determina la frecuencia con la que tiene que variar el sentido del campo eléctrico aplicado entre las cajas. ¿ Con qué velocidad sale el protón, si el radio de la última vuelta es de 60 cm? ¿ Con qué diferencia de potencial hay que acelerar al protón para que alcance la misma velocidad?

Para saber más

Folleto explicativo del LHC

Datos sobre el LHC

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