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Una perturbación de la Fuerza ilumina el camino del haz Understand article
¿Cómo puedes medir un haz de partículas sin interferir con él? Respuesta: con una cortina de gas supersónico.
En la primera película de la guerra de las Galaxias, “Una nueva esperanza”, Obi-Wan Kenobi explica a Luke Skywalker que la Fuerza es un campo de energía conectado a la vida que un Jedi puede manipular. Cuando la Estrella de la Muerte destruye el planeta Alderaan, Obi-Wan siente una perturbación en la Fuerza.
En nuestra Tierra, investigadores del departamento de física de la universidad de Liverpool están usando una “perturbación de la fuerza” para obtener una información vital para aprovechar la potencia del mayor acelerador de partículas del mundo: el Gran Colisionador de Hadrones. Por primera vez se puede conseguir una imagen del haz de partículas mientras se mueve a través de una cortina de gas supersónico.
El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) se utiliza para estudiar las condiciones que existieron una milmillonésima de segundo después del Big Bang mediante choques entre haces de protones o de iones de alta energía a velocidades cercanas a la velocidad de la luz.
Los haces de partículas creados en aceleradores como el LHC tienen muchas aplicaciones. En ciencia básica se usan haces de antiprotones para estudiar la antimateria y también haces de isótopos raros para estudios en física nuclear; en la industria, desde la espectrometría de masas hasta la fabricación de semiconductores; en medicina para diagnóstico por la imagen y para terapia del cáncer con hadrones (un nuevo tratamiento que usa protones e iones pesados en lugar de rayos X).
© Cockcroft Institute
Estas aplicaciones requieren un control preciso del tamaño y de la intensidad del haz. Sin embargo, la medida del haz para asegurar que reúne las especificaciones necesarias para estas aplicaciones es problemática porque o el haz es muy energético y destructivo o las partículas son muy raras y difíciles de detectar. Además, en las aplicaciones médicas suele haber poco tiempo para la optimización entre cada paciente.
¿Dónde mejor que en el LHC para aplicar estos nuevos enfoques? Este acelerador se está actualizando para aumentar su luminosidad (una medida del número de colisiones de partículas por segundo) un factor diez para aumentar el número de partículas raras que pueda producir.
El proyecto LHC de alta luminosidad (HL-LHC) está liderado por el CERN con el apoyo de una colaboración internacional de 29 instituciones de 13 países, entre ellos EE. UU., Japón y Canadá. Uno de estos proyectos de actualización se centra en la integración de mejoras técnicas para monitorizar y controlar los haces.
©Cockcroft Institute
El control del haz de un acelerador
Un haz de partículas es una corriente de partículas cargadas, como los electrones o los protones, acelerados hasta casi la velocidad de la luz. Las partículas del haz tienen una carga que permite acelerarlas, desviarlas o focalizarlas con campos electromagnéticos (EM).
Las partículas se extraen de una fuente de partículas y se introducen en la sección de baja energía (baja velocidad) antes de ser empujadas cada vez a mayor energía (mayor velocidad) en etapas sucesivas. Las partículas no se distribuyen homogéneamente a lo largo del haz, sino que se agrupan en pequeños pulsos separados entre sí (paquetes de partículas) que pueden acelerarse con un campo eléctrico variable llamado campo de radiofrecuencia (RF).
El haz se transporta en un tubo de vacío a un túnel llamado “tubo del haz” y se acelera con campos RF, mientras que las partículas se mantienen focalizadas con campos magnéticos.
Es importante conocer en todo momento los detalles de varias características del haz:
- Beam position – this is its location within the beam pipe (see diagram 1).
©Cockcroft Institute
- Corriente del haz o intensidad: el número de partículas por unidad de tiempo
- Perfil del haz: las distribuciones longitudinales y transversales de las partículas del haz (ver diagrama 2).
©Cockcroft Institute
- Pérdidas del haz: número de partículas perdidas del haz principal durante su transporte y aceleración. Es importante medirlo porque afecta a la seguridad del equipo y a la calidad de los experimentos, ya que toda partícula perdida puede producir ruido en la aplicación o en las medidas.
Control del haz
Conforme las partículas del haz viajan por el tubo del haz, sus trayectorias se controlan con campos magnéticos que las dirigen y focalizan. Estos campos se aumentan proporcionalmente al momento de las partículas que son aceleradas. Para ajustar la intensidad del campo magnético dinámicamente, es vital conocer siempre las propiedades del haz y monitorizar sus parámetros sin afectar su trayectoria.
Los métodos actuales de monitorización son limitados
Los métodos tradicionales para monitorizar las características del haz usan estructuras como láminas que lo interceptan y miden sus interacciones y materiales centelleantes que, cuando son golpeados por una partícula, emiten luz producida por la energía absorbida.
Sin embargo, estos métodos no son adecuados para el LHC porque ¡el haz es tan potente que atravesaría estos monitores!
Perfilador de chorro de gas supersónico
Los investigadores del grupo QUASAR han estado desarrollando una pantalla de gas como método de monitorización alternativo.[1,2]
La expansión supersónica se usa para crear una cortina de gas (animación: formación del chorro de gas) como se muestra en el diagrama 3. El gas pasa por un pequeño orificio desde una región de alta presión a otra de muy baja presión y se expande a una velocidad mayor que la velocidad del sonido.
©Cockcroft Institute
Después del paso del gas a través de dos colimadores cónicos, emerge un fino chorro bien definido. Luego pasa a través de un colimador rectangular que forma un chorro en cortina inclinado 45 grados.
Esta cortina de gas interacciona después con el haz de partículas primario para analizarlo. El haz primario excita los electrones de las moléculas del gas desde su estado fundamental hasta un nivel de mayor energía. Una vez que el haz ha pasado, los electrones regresan al estado fundamental y emiten fotones de una longitud de onda característica. Esta fluorescencia se detecta y se produce una imagen bidimensional del haz (ver diagrama 4).
©Cockcroft Institute
La intensidad de la señal puede controlarse cambiando las propiedades del chorro: el tipo de gas, la presión de entrada o las dimensiones de los diferentes colimadores. Por lo tanto, el monitor se puede optimizar para diferentes aplicaciones variando las energías y los haces de partículas. La ilustración detallada adjunta proporciona una descripción general de todo el sistema.
La imagen así conseguida proporciona información detallada sobre la posición del haz, sus perfiles transversal y longitudinal y su intensidad sin interferir con el haz de partículas.
El uso de un chorro de gas supersónico como perfilador de haz ofrece una gama de interesantes posibilidades, como la retroalimentación en tiempo real del control del acelerador. Esto permite ajustar dinámicamente los parámetros de la máquina en función de las lecturas de un monitor que no afecta al haz, permitiendo una operación flexible. El monitor de perfil de haz basado en chorro de gas es una nueva tecnología que ofrece numerosas ventajas y que podría usarse en cualquier acelerador o fuente de luz.
Como le dijo Yoda al Conde Dooku: «¡Esto es solo el comienzo!»
Glosario
- Ondas electromagnéticas: ondas de energía que tienen un campo eléctrico y otro magnético, como los rayos gamma, la luz visible y la ultravioleta.
- Fotón: partícula que lleva radiación EM
- Fluorescencia: luz emitida por una sustancia tras absorber luz u otra radiación EM y liberarla después.
- Luminosidad: una medida de cuántas colisiones hay durante un cierto período de tiempo. ¡Mayor luminosidad = más colisiones!
- Supersónico: más rápido que el sonido (343 m/s en el aire)
References
[1] Tzoganis V, Welsch CP (2014) A non-invasive beam profile monitor for charged particle beams. Applied Physics Letters 104: 204104. doi: 10.1063/1.4879285
[2] Salehilashkajani A et al. (2022) A gas curtain beam profile monitor using beam induced fluorescence for high intensity charged particle beams. Appl. Phys. Lett. 120: 174101. doi: 10.1063/5.0085491. [Added after publication]
Resources
- Video sobre un posible futuro colisionador: “Futuro Colisionador Circular: expandiendo nuestros horizontes”.
- Lea una introducción a la ciencia de los aceleradores: Welsch C (2021) The physics of Star Wars: introducing accelerator science. Science in School 54.
- Lea sobre el uso de haces de protones para radioterapia: Welsch C (2021) Death Star or cancer tumour: proton torpedoes reach the target. Science in School 55.
- Involucre a sus alumnos en una actividad didáctica sobre la ciencia de los aceleradores: Welsch C (2021) Build your own virtual accelerator. Science in School 54.
- Descubra cómo construir un acelerador en una ensaladera: Torres R (2017) A particle accelerator in your salad bowl. Science in School 41: 49–55.
Author(s)
El profesor Welsch es director del Departamento de física de la universidad de Liverpool y fundador del Grupo QUASAR. Su investigación se centra en el desarrollo de aceleradores de partículas y fuentes de luz y dispositivos para monitorizar las propiedades de los haces de partículas cargadas. Su extensa carrera ha incluido varios años en el CERN y de liderazgo en proyectos internacionales innovadores sobre diagnóstico de haces. También es un apasionado fan de Star Wars.
Carsten Welsch debatiendo la física de la Guerra de las Galaxias
The Cockcroft Institute
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