Elsincrotrnes un tipo deacelerador de partculas. Se diferencia de otros aceleradores en que las partculas se mantienen en una rbita cerrada. Los primeros sincrotrones se derivaron delciclotrn, que usa uncampo magnticoconstante para curvar la trayectoria de las partculas, aceleradas mediante uncampo elctricotambin constante, mientras que en el sincrotrn ambos campos varan. La velocidad mxima a la que las partculas se pueden acelerar est dada por el punto en que laradiacin sincrotrnemitida por las partculas al girar es igual a la energa suministrada. Los sincrotrones tambin se utilizan para mantener las partculas circulando a una energa fija; en este caso reciben el nombre de anillos de almacenamiento.Los sincrotrones pueden usarse como colisionadores de partculas. En este tipo de sincrotrones, dos haces de partculas diferentes se aceleran en direcciones opuestas para estudiar los productos de su colisin. En otros sincrotrones se mantiene un haz de partculas de un solo tipo circulando indefinidamente a una energa fija, usndose comofuentes de luz sincrotrnpara estudiar materiales aresolucindel orden del radio atmico, en medicina y en procesos de manufactura y caracterizacin de materiales. Un tercer uso de los sincrotrones es como pre-acelerador de las partculas antes de su inyeccin en un anillo de almacenamiento. Estos sincrotrones se conocen comoboosters(aceleradores).ndice[ocultar] 1Desarrollo 2Componentes 2.1Fuente de partculas 2.2Aceleradores auxiliares: LINACS yboosters 2.3Cavidades de radiofrecuencia 2.4Elementos magnticos 2.5Lneas de luz sincrotrn 3Aplicaciones 3.1Estudio de partculas subatmicas 3.2Estudio de materiales 4Vase tambin 5Notas 6Referencias 7Enlaces externosDesarrollo[editar]

Esquema de funcionamiento de un ciclotrn, el precursor del sincrotrn. El campo magntico es uniforme y se aplica en la direccin perpendicular a la rbita de las partculas. Las partculas se aceleran desde cero cada vez que atraviesan el campo magntico y describen una espiral cuyo radio aumenta hasta que emergen del acelerador.Elciclotrn, concebido por el fsico austro-hngaroLe Szilrden 1929, se puede considerar el precursor del sincrotrn. El ciclotrn usa un campo magntico esttico para curvar la trayectoria de las partculas y un campo elctrico oscilante defrecuenciafija para acelerarlas en un punto de su trayectoria. A medida de que las partculas aumentan su velocidad, el radio de su rbita aumenta, por lo cual describen una espiral.1Ernest Lawrencedise y construy el primer ciclotrn,2puesto en marcha por vez primera a finales de 1931. Esta mquina no era adecuada para la aceleracin de partculas relativistas, cuya masa aumenta al aproximarse su velocidad a la de la luz, lo que causa un desfasaje con respecto a la oscilacin del voltaje acelerador.3En 1934, Szilrd describi el principio deestabilidad de fase,1fundamental en el diseo del sincrotrn. En 1945, el estadounidense Edwin McMillan y el sovitico Vladimir Veksler propusieron, independientemente, un acelerador basado en este principio, variando la frecuencia del campo elctrico a medida que la partcula incrementa su energa.4De este modo, las partculas reciben una cantidad de energa inversamente proporcional a su velocidad, lo que resulta en un haz estable donde las partculas viajan, en promedio, a la velocidad apropiada.5Usando este principio, Lawrence, McMillan y otros miembros de su grupo transformaron el cyclotrn de Berkeley en unsincrociclotrnen 1946. Este aparato lleg a a acelerar protones hasta740 MeVe iones deHelioa920 MeV.6El Phasotron, un sincrociclotrn para electrones construido por Veksler enDubnalcanz los10 GeV.

Ilustracin del principio de estabilidad de fase en el sincrotrn: la funcin peridica U(t) representa el campo elctrico oscilatorio. Los tres puntos sobre la grfica representan tres partculas viajando a velocidades ligeramente distintas. La partcula del centro alcanza el campo con la fase ptima W0, entre 90 y 180. La partcula que llega ligeramente por delante recibe menos energa del campo, y la que llega por detrs, ms, de tal modo que las fases permanecen concentradas alrededor de W0.La mxima energa de los sincrociclotrones est dictada por el radio mximo de la rbita de las partculas, que no podan acelerarse ms una vez alcanzado estepunto. En 1949, MacMillan construy el primer sincrotrn de electrones, incrementando la magnitud del campo magntico en sincrona con la velocidad del los electrones y consiguiendo as mantener a estos en una rbita fija cerrada y acelerarlos hasta una energa de300 MeV.4El primer sincrotn de protones fue el Cosmotrn, diseado en 1948 y construido en elLaboratorio Nacional de Brookhaven. El Cosmotrn comenz a funcionar a la energa de3.3 GeVa principios de 1953.7En 1952, varios de los colaboradores en el diseo y construccin del Cosmotrn publicaron una idea para aumentar la eficiencia de los sincrotrones alternandolentesmagnticas convergentes y divergentes campo magntico de gradiente alternado para focalizar el haz de partculas a lo largo de toda su trayectoria,89idea patentada ya en 1950 porNicholas Christofilos.10Esta idea fue inmediatamente incorporada al diseo del sincrotrn de protones delCERN, donde hasta entonces se planeaba alcanzar una energa de10 GeV.4Gracias al uso de gradiente alternado entr en funcionamiento en 1959 a30 GeV.11En 1960, entr en funcionamiento el AGS (Alternating Gradient Synchrotron de33 GeVen Brookhaven.12Bob Wilson, un antiguo colaborador de Lawrence, propuso separar los imanes focalizadores del haz de los imanes usados para curvar la trayectoria del haz de partculas en el sincrotrn deFermilab, finalizado en 1972, donde se alcanzaron400 GeV.4En las dcadas siguientes se siguieron construyendo sincrotrones de mayor tamao y energa, como elTevatronen Fermilab o elLHCen CERN, dedicados al estudio de partculas subatmicas.Aunque la radiacin sincrotrn emitida por las partculas aceleradas constituye una limitacin a la mxima energa alcanzable en un sincrotrn, los cientficos pronto se percataron de las posibilidades que ofrecan los haces intensos deradiacin ultravioletayrayos Xgenerados en los sincrotrones de altas energas,y en los 80, aparecieron los primeros anillos de almacenamiento diseados exclusivamente como fuentes de radiacin sincrotrn.5Algunos colisionadores de partculas obsoletos, como elsincrotrn de Stanforden los Estados Unidos, oDORISyPETRAen el laboratorioDeutsches Elektronen-Synchrotron, Alemania, han sido reconfigurados para este propsito,131415mientras que unos pocos, comoCHESS, en laUniversidad de Cornell, se utilizan a la vez para estudios de fsica de partculas y como fuentes de luz sincrotrn.16Componentes[editar]

Boosterde900 MeVdel colisionador de partculas VEPP 2000, enNovosibirskFuente de partculas[editar]Para la produccin de electrones se suelen utilizarctodos termoinicosoctodos frosofotoctodos.171819Los positrones se producen haciendo incidir un haz de electrones acelerados sobre un material metlico.19Las fuentes de protones son muy diversas; se suelen extraer de unplasma, generado, por ejemplo, a partir de una descarga o radiacin de microondas aplicados a un gas.2021Los antiprotones se producen de manera parecida a los positrones, haciendo chocar un haz de protones con un metal pesado.19Aceleradores auxiliares: LINACS yboosters[editar]Al contrario que los ciclotrones, los sincrotrones no son capaces de acelerar las partculas a partir de baja energa, por lo cual la aceleracin se realiza por etapas. El haz de partculas se acelera inicialmente usando una fuente de alto voltaje oscilando aradio frecuencias. Las partculas se inyectan en unacelerador linearo LINAC, y de ah pasan a un sincrotrn llamadoboosterdonde adquieren su energa final; las partculas as aceleradas se inyectan al sincrotrn principal o anillo de almacenamiento, donde circulan a una energa fija. En un sincrotrn tpico, el LINAC imparte a los electrones una energa entre 0.1 y1 GeV, y elboosterlos acelera hasta la energa final de unos pocos GeV.222324ElGran Colisionador de Hadrones, que opera con protones de7 TeV, requiere tres sincrotrones auxiliares.25Cavidades de radiofrecuencia[editar]Vase tambin:ResonadorLas cavidades de radiofrecuencia o RF son una serie de estructuras huecas donde se aplica el voltaje oscilante longitudinal, suministrado porklistrones, que acelera las partculas. En un acelerador propiamente dicho, como elbooster, la energa de las partculas aumenta cada vez que atraviesan la cavidad. En los anillos de almacenamiento, por contra, solo se suministra la energa necesaria para compensar las prdidas por radiacin sincrotrn.2627Las cavidades RF tambin mantienen a las partculas agrupadas en paquetes que circulan a aproximadamente la misma velocidad, manteniendo la sincrona entre la fase del voltaje acelerador y la frecuencia de circulacin del haz.26Elementos magnticos[editar]

Imanes del anillo de almacenamiento delSincrotrn Australiano. En primer plano, un sextupolo (en verde), seguido por un dipolo (en amarillo) y, parcialmente oculto detrs de este, un cuadrupolo (en rojo).Los sincrotrones modernos utilizandipolos, llamadosimanes curvadoresbending magnets para curvar la trayectoria del haz de partculas ycuadrupolosysextupolospara mantener el haz enfocado. La separacin de las funciones de defleccin y focalizacin permite alcanzar una energa mayor y optimizar las propiedades pticas del sincrotrn.28Los imanes tienen los polos orientados perpendicularmente a la rbita. Los cuadrupolos pueden orientarse de tal manera que las componentes verticales y horizontales de las fuerzas magnticas que ejercen sobre las partculas son independientes y se suele alternar su polaridad a lo largo de la cavidad del sincrotrn, es decir, se have converger y divergir el haz sucesivamente. Esta disposicin, conocida como celda FODOn. 1mantiene el haz colimado, importante tanto para maximizar el nmero de colisiones de partculas, como para producir luz sincrotrn coherente y concentrada. Los imanes sextupolos se utilizan para corregir lasaberracionesde los cuadrupolos.28En los sincrotrones modernos utilizados para la produccin de luz sincrotrn, los imanes se suelen disponer en diversas configuraciones, con el objetivo de lograr un haz de radiacin lo ms brillante posible. Una configuracin muy utilizada es la celda DBA (Double Bend Achromatic) o celda Chasman-Green, que en su versin ms simple consiste en un par de imanes curvadores con una lente cuadrupolar en el centro.29Este tipo de instalaciones cuenta adems con dispositivos magnticos compuestos de una secuencia de varios dipolos alternantes. Segn la fuerza del campo magntico, estos aparatos se dividen enwigglersuonduladores. Ambos hacen seguir a los electrones una trayectoria oscilante, con un radio de curvatura menor que en los dipolos principales. Esto permite obtener radiacin sincrotrn con propiedades diversas y mejor adaptadas a distintos tipos de experimentos.30Lneas de luz sincrotrn[editar]Al atravesar los imanes curvadores,wigglersy onduladores, las partculas emiten radiacin en un amplio rango delongitudes de onda. La radiacinultravioletay derayos Xemitida por los sincrotrones puede ser utilizada para varios experimentos. Las lneas de luz consisten en una cavidad envacopara transportar esta radiacin hasta las muestras que se pretende estudiar y varios instrumentos para modificar y adaptar las propiedades de la radiacin, comoespejos, para enfocar el haz de radiacin ymonocromadorespara seleccionar determinadas longitudes de onda.31La configuracin especfica de una lnea de luz depende del tipo de experimento al que est destinada y a las caractersticas del sincrotrn.Aplicaciones[editar]

Detector de partculas en elLHCEstudio de partculas subatmicas[editar]Durante varias dcadas la aplicacin principal de los sincrotrones y otros aceleradores circulares fue el estudio de losconstituyentes fundamentalesde la materia. En las primeras mquinas de este tipo, se hacan chocar las partculas aceleradas contra un blanco metlico estacionario, donde interactuaban con losncleos atmicos, produciendo partculas yantipartculas. En cambio, en los sincrotrones de alta energa posteriores, como elSPS, elLEPy el LHC, de laOrganizacin Europea para la Investigacin Nuclear(CERN) y elTevatrondeFermilab, fueron diseados para producir colisiones entre dos haces de antipartculas circulando a la misma velocidad en direcciones opuestas. En este caso, el momento total de los dos haces es cero, por lo cual la energa total del haz puede ser consumida en la produccin de nuevas partculas, al contrario que en el caso de un blanco estacionario, donde la ley de conservacin delmomentoimplica que parte de la energa es conservada por el haz.32El haz en los colisionadores debe contener un gran nmero de partculas concentradas en un volumen muy reducido para maximizar el nmero de colisiones en cada ciclo, que es muy pequeo comparado con las colisiones obtenidas con un blanco fijo.33Los colisionadores pueden ser de dos tipos: dehadroneshabitualmenteprotonesyantiprotones o deleptonespor ejemplo, electrones y positrones. Los colisionadores de hadrones tienen la ventaja de limitar las prdidas por radiacin,34y son la herramienta principal para el descubrimiento de nuevas partculas. Los colisionadores de leptones, por otro lado, son tiles para la caracterizacin precisa de las partculas ya descubiertas.32Estudio de materiales[editar]

Lnea de luz sincrotrn para el estudio de molculas biolgicas (protenasycidos nucleicos) por la tcnica dedifraccin de cristalesLaradiacin sincrotrnemitida por los electrones al atravesar los imanes curvadores,wigglersy onduladores est compuesta por un espectro continuo de longitudes de onda desde losrayos Xde alta energa hasta elinfrarrojo. Esta radiacin es muy intensa, concentrada ycoherente espacialmente, propiedades idneas para poder realizar una amplia gama de experimentos para explorar las propiedades de todo tipo de materiales orgnicos e inorgnicos, utilizando tcnicas como laespectroscopa,dispersin,difraccinymicroscopa.35Los primeros experimentos con luz sincrotrn se llevaban a cabo de modo parasitario en colisionadores de partculas, pero la mayora de los sincrotrones en funcionamiento actualmente se utilizan solo para este propsito. Los sincrotrones diseados para la produccin de radiacin sincrotrn se conocen como sincrotrones de segunda generacin o de tercera generacin, dependiendo de laemitanciadel haz de partculas,5definida como el producto del rea transversal del haz y su divergencia angular: en las fuentes de segunda generacin la emitancia es del orden de100 nm-mrady en las de tercera generacin es de10 nm-mrad,36lo que resulta en un haz de radiacin ms concentrado. La mayora de estos sincrotrones tienen un dimetro del orden de los100 my funcionan a energas de unos pocosGeV. El de mayor tamaoPETRA, un antiguo colisionador reconvertido a fuente de luz sincrotrn, cuenta con ms de dos kilmetros de circunferencia.37En la primera dcada del S XXI se ha logrado construir un sincrotrn compacto que cabe en una habitacin.38Estas fuentes compactas utilizan luz lser para estimular la emisin de luz sincrotrn por los electrones.Vase tambin[editar] Anexo:Fuentes de luz sincrotrn Anexo:Aceleradores en fsica de partculas Radiacin sincrotrn Wiggler (sincrotrn) OnduladorNotas[editar]1. Ir aLa 'F' representa el cuadrupolo convergente Focussing, en ingls , la 'D', el cuadrupolo divergente Defocussing y la O el espacio entre ellos.