Continuamos con nuestra serie de  notas históricas sobre loas aceleradores de partículas, poniéndo especial foco en  la conexión existente entre el desarrollo de las ideas y el desarrollo tecnológico para el avance del conocimiento de la estructura de la materia.

Los primeros sincrotrones, anillos de almacenamiento y aceleradores lineales

En 1945, Edwin McMillan, en LBL (USA), Vladimir Veksler, en Moscú, y Marcus Oliphant en Gran Bretaña, tuvieron, de forma independiente, la idea que conduciría al desarrollo de los sincrotrones. Wideröe también escribió algunas ideas al respecto, sin conocimiento de las de los otros, en las mismas fechas. Un sincrotrón consiste en una cámara de vacío, en forma de anillo, sometida de forma diversa (dependiendo del tipo de sincrotrón) a un campo magnético que crece con la energía de las partículas aceleradas que contiene y que mantienen una trayectoria circular de radio constante. En cada revolución las partículas son aceleradas mediante potencial eléctrico alterno cuya frecuencia está sincronizada con la velocidad de las mismas. Un sincrotrón posee, además, un inyector que proporciona las partículas con la energía inicial (puede ser un acelerador lineal o de otro tipo).

También es importante destacar la idea, lanzada por Wideröe en 1943, de los anillos de almacenamiento. El funcionamiento de los mismos no es diferente a la de los sincrotrones salvo que las partículas almacenadas no son aceleradas por lo cual el problema fundamental es mantenerlas. Ello se consigue utilizando grandes mejoras en el vacío de los anillos. Otros conceptos importantes fueron las ideas del enfoque débil y fuerte de los haces que permitió mantener los haces estables e intensos durante suficiente tiempo para ser útiles en los experimentos de colisión de los mismos con blancos fijos o entre sí.

En 1961 se construyó, en Frascati, el primer anillo de almacenamiento para electrones y positrones (Anello di Accumulazione) diseñado por Bruno Touschek. En AdA las partículas circulaban con una energía de 250 MeV y tenía una circunferencia de 4 metros. Las primeras interacciones de electrones y positrones fueron observadas en 1964.

Por otra parte, es importante destacar los progresos que se hicieron utilizando las mismas ideas en los aceleradores lineales. Un protagonista destacado fue el físico Luis Walter Alvarez[1], profesor en Berkeley, inventor de la cámara de burbujas líquida y constructor del primer acelerador lineal de protones, en 1947. Le fue concedido el premio Nobel de Física en 1968. En 1945 el coste de los aceleradores circulares crecía como la tercera potencia de la energía, a causa del coste de los pesados imanes, mientras el coste de los lineales era proporcional a la energía. En 1947 Alvarez construyó un acelerador lineal de protones de 32 MeV. Posteriormente los sincrotrones con enfoque fuerte se pondrían del lado de los más económicos y, por lo tanto, los más interesantes durante muchos años. Los lineales se siguieron construyendo, fundamentalmente, como inyectores de los circulares.

Una gran ventaja de los aceleradores lineales es la inexistencia de radiación sincrotrón, al no haber aceleración angular, y la mayor facilidad de enfoque de los haces y de la sincronicidad. A mediados de los años 50 se construyó en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) uno de 50 metros de largo, el Mark III. Tras su éxito se planificó, en SLAC, un acelerador lineal de electrones de 20 GeV, longitud de 3 Km., cuya construcción comenzó en 1961 y produjo electrones desde 17 hasta 33 GeV, entre 1966 y 1975. Con estos electrones, en 1967, una colaboración de SLAC-MIT produjo las primeras colisiones fuertemente inelásticas e+p (n)àe+X; además de observar diversas resonancias en la masa efectiva de los productos X, se observaron anomalías que conducirían posteriormente a la teoría de la interacción nuclear fuerte. La evidencia de la estructura quark de los hadrones les valió el premio Nobel de Física de 1990 a Jerome Friedman y Henry Kendall del MIT y a Richard Taylor del SLAC.

En 1948 la Comisión de Energía Atómica de EEUU aprobó la construcción, en el laboratorio nacional de Brookhaven (BNL), del primer sincrotrón de protones, de 3,3 GeV que inició su funcionamiento en 1953 y continuó durante 13 años más. Se le denominó Cosmotrón por la influencia de los descubrimientos realizados con radiación cósmica y el hecho de ser un sincrotrón. Contenía una matriz de 288 imanes de 1,5 Teslas. Era, además, capaz de producir haces externos para experimentos fuera del acelerador. Su coste fue de 7 millones de dólares.

El Cosmotrón fue una máquina de importantes descubrimientos, confirmando por una parte la existencia de los piones cargados descubiertos en la radiación cósmica y las llamadas partículas V, pero también produciendo las primeras resonancias mesónicas.  Por primera vez se probó la cámara de burbujas, inventada por Glaser en 1952 y desarrollada por Louis W. Alvarez usando hidrógeno líquido y deuterio, en Berkeley, en 1954.

Una vez lograda la técnica del enfoque fuerte ésta se podía aplicar tanto a protones como electrones. En 1954 se construyó el primer sincrotrón de electrones, de 1 GeV, en Cornell (USA). Rápidamente se fueron construyendo otras instalaciones por el mundo (MIT, 1962, 6 GeV; DESY, Hamburgo, 1965, 7 GeV; Liverpool, 1967, 4 GeV; Erevan, 1967, 6 GeV; Cornell, 1967, 10 GeV; etc…)

El cosmotrón de Brookhaven

En 1954, en el LBL de Berkeley se construyó el Bevatrón, un sincrotrón de protones, diseñado para acelerar protones hasta 6 GeV con el fin de producir antiprotones en reacciones de protones contra núcleos de un blanco, cobre en su caso, del modo p+p à p+p+p+ antiprotón

En 1955 el Bevatrón logró el descubrimiento del antiprotón y en 1956 logró el descubrimiento del antineutrón en reacciones p+ antiprotón à neutrón + antineutrón.

En 1959 les concedieron el premio Nobel de Física a Emilio Segré y Owen Chamberlain, por el descubrimiento del antiprotón, en dicho acelerador.

Con el advenimiento de los sincrotrones de protones y de electrones, así como de los aceleradores lineales y los anillos de almacenamiento y colisionadores, entramos ya en el mundo de los modernos aceleradores de partículas que, desde los años 50, supusieron una revolución en el conocimiento de la estructura de la materia y sus interacciones pues propiciaron el descubrimiento de cientos de partículas, desconocidas hasta entonces, lo que obligó a desarrollar ideas para la clasificación de las mismas. Éste sería el germen de las nuevas ideas sobre la estructura íntima de la materia y de la introducción de las teorías de las interacciones fundamentales que se desarrollaron en los años 60 y constituyen el llamado modelo estándar de la física de partículas elementales.

Nacimiento y primeros pasos del CERN[2]

 En 1950, en la conferencia de la UNESCO en Florencia, una delegación americana en la que estaba, entre otros, el premio Nobel de Física Isidor Rabi, recomendó la creación de un centro europeo de investigación con la finalidad de superar la depresión científica y tecnológica en Europa como consecuencia de la guerra mundial. Previamente, en Lausanne, Louis de Broglie había defendido la misma idea.

El director de ciencias exactas y naturales de la UNESCO y pionero de los estudios fundamentales con rayos cósmicos, Pierre Auger, ayudado por el físico italiano Edoardo Amaldi, comenzaron la campaña que, tras diversas negociaciones, logró la firma, en 1951, de un acuerdo entre once países europeos para la creación del CERN. En 1952 se decidió construir el laboratorio en las afueras de Ginebra. En 1953, se ratificó por parte de los doce países fundadores del mismo. El nacimiento formal tuvo lugar el 29 de septiembre de 1954 siendo Felix Bloch el primer director general, sustituyendo a Edoardo Amaldi que había sido el secretario general, entre 1952 y 1954. La primera piedra fue colocada el 10 de junio de 1955.

Entre las primeras actividades se propuso construir un sincrociclotrón de 600 MeV para entrenamiento de los ingenieros, así como un sincrotrón de protones, de 30 GeV, utilizando el método, recientemente desarrollado, de “enfoque fuerte”.  En 1957 se finalizó la construcción del sincrotrón, el PS, bajo la responsabilidad de John Adams, logrando 24GeV y, posteriormente, 26 GeV. La máquina, con una circunferencia de 628 m., contenía 277 imanes convencionales y su coste fue de 120 millones de francos suizos. Comenzó a acelerar protones en noviembre de 1959, demostrando la viabilidad del método. Posteriormente formó parte de los aceleradores de inyección de los siguientes aceleradores del CERN.

El PS tuvo, además, un intenso programa de física en el que cabe destacar que produjo un haz de neutrinos muónicos intenso que dirigió hacia una cámara de burbujas, Gargamelle, donde se descubrieron las corrientes neutras de la interacción débil, en 1973.

En 1965 se autorizó la construcción en el CERN de los ISR, los primeros anillos de almacenamiento de protones construidos en el mundo, que comenzaron a funcionar en 1971. Alimentados por los protones de 28 GeV del PS su energía se incrementaba en los mismos hasta 31 GeV. Eran dos anillos de 300 metros de diámetro que se entrecruzaban en seis puntos, cuya cámara de vacío tenía una presión interna de 3 x 10^-12 torr., algo muy complicado para la época. Los haces podían circular hasta tres días. Durante su funcionamiento se pudo realizar un extenso análisis de las colisiones p-p y p-antiprotón.

Los ISR (CERN)

Otras grandes instalaciones de la segunda mitad del siglo XX

En 1960 se completaba, en Brookhaven, el AGS, un sincrotrón similar al PS de energía ligeramente superior, 33 GeV, por un coste de 30 millones de dólares.

De la historia del AGS es interesante destacar que, de sus experimentos, se lograron avances muy importantes en la física de partículas, que fueron premiados con tres premios Nobel, por los descubrimientos del neutrino muónico, de la resonancia J/Psi y de la violación de la simetría materia-antimateria.

El AGS fue también el acelerador donde se descubrió, en 1964, la resonancia W^–  prevista en la teoría de los quarks de Gell-Mann, lo que afianzó definitivamente su modelo de la estructura íntima de los nucleones, las piezas que constituyen los núcleos de los átomos, además de ser los constituyentes de muchas de las partículas descubiertas en los años anteriores. De este modo se pasó de un sistema de clasificación de la jungla de nuevas partículas a un modelo sencillo de su composición interna, en quarks. Quedaba por descubrir la existencia de los portadores de las interacciones nucleares que mantenían ligados los quarks en los núcleos de los átomos, los gluones.

Por su parte, en 1972, se construyó el anillo asimétrico electrón-positrón, SPEAR, en SLAC.  De 80 metros de diámetro, electrones y positrones circulaban a una energía de hasta 4 GeV por haz. La primera propuesta a la AEC se había realizado en 1964, pero la construcción no pudo comenzar hasta 1970. Allí se produjeron dos grandes descubrimientos que condujeron a dos premios Nobel de Física: la resonancia J/Psi, producido en el mismo momento que en el AGS, ya citado, y el leptón tau.

Asimismo, se mostró la primera evidencia de la estructura en dos chorros de hadrones en las colisiones, lo que era esperado para colisión entre quarks.

Desde 1990 SPEAR fue utilizado para producción de radiación sincrotrón en la instalación SSRL de SLAC.

En el laboratorio DESY de Hamburgo (Alemania) se construyó PETRA[3], un acelerador circular de positrones y electrones) de 2,3 Km. de circunferencia. Se inició el proyecto en los años 70 con el fin de estudiar las colisiones electrón-positrón a energías de unos 15 GeV para analizar la física de partículas a esas energías y, mediante la producción por vía electromagnética de hadrones, analizar la estructura interna de los mismos y la existencia de los portadores de la interacción nuclear fuerte, los gluones. En 1978 comenzaron los cuatro experimentos programados CELLO, JADE, MARK-J y TASSO, y en 1979 Tasso observó la producción de tres chorros de hadrones, indicativos de la existencia de los gluones, resultados que fueron refrendados por los otros tres experimentos.

PETRA llegó a alcanzar 23 GeV y, en 1986, se convirtió en un inyector del nuevo acelerador HERA. En 1993 se rediseñó como una fuente de radiación sincrotrón (PETRA II), funcionando alternativamente como inyector de HERA y fuente de radiación. En 2002 se convirtió en un anillo de almacenamiento totalmente dedicado a producción de radiación sincrotrón (PETRA III).

Casi paralelamente, en SLAC se construyó el acelerador PEP, que empezó a funcionar en 1980 con energías de 29 GeV. Dotado de seis experimentos confirmaron los resultados obtenidos en PETRA, entre otros avances científicos. En 1990 dejó de funcionar comenzando, en 1994, la construcción de PEP-II, acelerador de la factoría de quarks b, llamada BaBar.

En 1963 la Comisión de Energía Atómica (AEC) de los EEUU recomendó la construcción de un acelerador de 200 GeV. En 1965 se constituyó la Asociación de Investigación de Universidades (URA), formada por más de 50 instituciones de USA y Canadá. En 1968 URA y AEC firmaron un convenio para la construcción de un sincrotrón de protones, el Main Ring[4], en los terrenos de lo que se denominaría Fermilab, Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL).  Robert Wilson, ingeniero y arquitecto, fue el primer director.

En 1972 el acelerador, de 4 millas de circunferencia, alcanzó los 200 GeV de energía. El coste de la construcción fue de 250 millones de dólares.

Posteriormente alcanzaría 400 y 500 GeV. En 1983 comenzó su andadura como inyector principal del nuevo sincrotrón de Fermilab, el Tevatrón.

En 1977 Leon Lederman y su equipo de FNAL anunciaron el descubrimiento de la resonancia upsilon (b anti-b) que, en realidad, se mostró meses después como un grupo de tres resonancias. Ello supuso el descubrimiento del quark bottom (b).

El Supersincrotrón de protones del CERN (SPS), una máquina de 300 GeV de energía, se empezó a proponer ya en la época del PS. Hubo que esperar a 1971 para su aprobación formal y supuso el establecimiento de un nuevo laboratorio en la región francesa de Prevessin. Se completó en 1976 y en 1977 se realizaron los primeros experimentos. Llegó a alcanzar los 450 GeV.

Constituido por más de mil imanes medía casi 7 km. de circunferencia y fue excavado bajo tierra, a 40 m. de profundidad, en un túnel donde la tecnología necesaria de ingeniería civil supuso un reto muy importante.

Su programa de física fue muy amplio incluyendo la física hadrónica, de neutrinos, asimetría entre materia y antimateria (la denominada violación CP), etc…

A finales de los años 70 se decidió inyectarle también antiprotones para convertirlo en una máquina de colisiones protón-antiprotón. Para ello se construyó un acumulador de antiprotones (AA) empleando técnicas de enfriamiento estocástico ideadas por Simon Van der Meer. En 1981 se produjeron las primeras colisiones p-antiprotón en el experimento UA1.

En 1982 se produjo el descubrimiento de los bosones cargados de la interacción electro débil W+, W- en los dos experimentos UA1 y UA2. En 1983 se produjo el descubrimiento del bosón neutro de la interacción electro débil Z.

En 1984, Carlo Rubbia y Simon Van der Meer obtuvieron el premio Nobel de Física por dichos descubrimientos que afianzaban las predicciones del modelo estándar electro débil.

El SPS siguió funcionando hasta 1991.

UA1 (CERN)

Los grandes aceleradores de finales del siglo XX

A finales del siglo XX se iniciaron, en los tres grandes continentes, sendos proyectos, de carácter internacional en muchos casos, de construcción de enormes instalaciones con el fin de afrontar la física de precisión del modelo estándar de las interacciones electro débil y fuerte de la física de partículas, así como de la búsqueda de algunas partículas predichas por el mismo y aún no descubiertas. Los proyectos implicaban tanto a los grandes aceleradores de partículas como a los grandes detectores construidos y operados, a su vez, por grandes colaboraciones internacionales que reunían cientos de físicos e ingenieros. El desarrollo de estas instalaciones se ha mostrado enormemente eficaz, tanto por los resultados obtenidos en física como por el desarrollo de nuevas tecnologías con aplicaciones prácticas en todos los campos, particularmente en el contexto de la medicina y de la comunicación. Estos experimentos se pueden englobar, por su complejidad, coste y resultados, en lo que denominaríamos industria de la ciencia. El ejemplo se ha extendido en la actualidad a otras áreas, tanto en el campo de la genómica como de la astrofísica o de la producción de energía entre otros tantos campos científicos.

En SLAC, como continuación del desarrollo de sus instalaciones se construyó, en 1998, PEP II, una factoría asimétrica de quarks b (factoría de B), consistente en un doble anillo de colisión de 2,2 Km. de circunferencia: uno de ellos, localizado en el túnel del anterior acelerador PEP, almacenaba electrones hasta 9 GeV; el otro almacenaba positrones a 3,1 GeV.

PEP II contaba con el experimento BaBar formado por una gran colaboración internacional que produjeron, junto con Belle (KEK), una gran cantidad de resultados de física de hadrones con contenido de quark b particularmente en estudios de violación CP y espectroscopía. PEP II estuvo operando entre 1999 y 2008.

Por su parte en Japón se aprobó, en 1971, la instalación del Laboratorio Nacional de Física de Partículas, KEK, cuyo primer acelerador de electrones y positrones fue TRISTAN, una factoría de B que comenzó a tomar datos en 1986. Los haces eran acelerados a 25,5 GeV (luego llegó a 30 GeV) y tenía cuatro experimentos: AMY, JADE, TOPAZ y VENUS, que estuvieron funcionando hasta 1995.

En 1994 comenzó la construcción de KEKB, un anillo de colisiones electrón-positrón asimétrico, con electrones de 8 GeV y positrones de 3,5 GeV. Comenzó la toma de datos en 1999 en el experimento Belle que se completaron en 2010 iniciándose la construcción de un nuevo acelerador SUPERKEKB donde se instaló, en 2016, un detector mejorado de Belle, el Belle-2.

Los datos recogidos por las factorías de B, junto con los datos del Tevatrón al que nos referiremos posteriormente, permitieron confirmar las predicciones teóricas de Makoto Kobayashi y Toshihide Maskawa, que recibieron el Premio Nobel de Física en 2008.

En DESY se instaló HERA[5] consistente en un acelerador de 6336 metros de circunferencia conteniendo dos anillos de almacenamiento donde protones y electrones, almacenados independientemente, se inyectaban al acelerador donde colisionaban en cuatro experimentos (H1, ZEUS, HERMES y HERA-B). Estuvo tomando datos entre 1992 y 2007 a una energía en centro de masas de 318 GeV (27,5 GeV para los electrones o positrones, que resultaban polarizados, y 920 GeV para los protones, que utilizaba cavidades superconductoras). En HERA se determinaron, con gran precisión, las características de la estructura interna del protón en quarks y gluones.

El Tevatron[6], un acelerador de protones y antiprotones construido en Fermilab y finalizado en 1983 en el mismo túnel del Main Ring, tenía una longitud de 6,3 Km. Fue el primer acelerador capaz de alcanzar el TeV de energía.

En 1987 comenzaron las primeras colisiones protón-antiprotón a energías de centro de masas de 1,8 TeV que logró en 1986. Se alimentaba con un complejo de aceleradores y la colisión se producía en dos detectores denominados CDF y D0.

Entre sus grandes avances científicos se cuenta el descubrimiento del quark top en 1995 y, fruto de la producción de neutrinos, del descubrimiento del neutrino tauónico, en el año 2000, en el experimento DONUT.

Entre 1993 y 1999 se construyó el anillo principal de inyección, por un coste de 290 millones de dólares, que sustituyó al anillo principal dando lugar al Tevatron-II[7] que utilizaba 774 imanes dipolares semiconductores de Niobio-Titanio, los cuales  producían un campo magnético de 4,2 Tesla, y 240 cuadrupolos de NbTi.

Muchos avances científicos fueron logrados por los experimentos CDF y D0, como la medida de la masa del top con precisión del 1%, el descubrimiento del single-top, las oscilaciones de mesones B_s, varias nuevas resonancias y la evidencia, en 2012, de la producción del bosón de Higgs desintegrado en pares b-antib, poco antes del anuncio del descubrimiento del Higgs por LHC. Prácticamente todo el modelo estándar quedaba completado, con excepción de la confirmación de la existencia del bosón de Higgs, mensajero del mecanismo de dotación de masa de las partículas elementales.

En 2010 terminó su operación si bien Fermilab continúa una intensa actividad, particularmente en física de neutrinos y búsqueda de materia oscura.

Tevatron (arriba, con CDF a la izquierda y D0 a la derecha) y Main Injector (abajo).
El edificio principal de Fermilab se ve arriba a la izquierda

El gran proyecto europeo LEP, del CERN, de un acelerador electrón-positrón se comenzó a discutir a principios de los años 80. En 1981, tras diversas negociaciones entre los estados miembros, se planificó con varias fases de funcionamiento y se aprobó su construcción para una energía de 50 GeV por haz. El coste total fue ligeramente superior a los 1000 millones de dólares. El trazado inicial se proyectaba entre Francia y Suiza, a profundidades entre 600 metros y 1000 metros, bajo las montañas del Jura. Finalmente se realizó a un promedio de 100 metros, abaratando en gran medida el coste del proyecto. El trabajo de ingeniería civil fue un gran reto, realizado por un consorcio de empresas coordinado por la empresa española Entrecanales y Tabora. Fue completado en 1988. Otros parámetros, como el vacío en las pipas del haz, suponían un enorme reto tecnológico pues debían superar en tres órdenes de magnitud a las tecnologías previas. Comenzó su funcionamiento en julio de 1989, produciendo las primeras colisiones el 13 de agosto de 1989.

El LEP era, en realidad, un complejo de aceleradores entre los cuales el AA, el PS y el SPS servían de inyectores de los electrones y positrones que entraban en LEP con 22 GeV de energía. Contenía 128 cavidades aceleradoras de cobre, 3368 dipolos, 816 cuadrupolos, 504 sextupolos, y otros 700 imanes. Cuatro paquetes de electrones y otros tantos de positrones, con aproximadamente 10⁹ partículas por haz, circulaban en el LEP donde eran acelerados a su energía nominal mediante cavidades de radiofrecuencia y se hacían chocar en cuatro puntos donde estaban los cuatro grandes detectores OPAL, DELPHI, ALEPH y L3. Entre 1989 y 1995 se recogieron 17 millones de bosones Z que sirvieron para estudiar su masa, anchura y propiedades de desintegración a otras partículas con enorme precisión, superior al 1%. A partir de 1995 se instalaron hasta 272 cavidades superconductoras de radiofrecuencia de niobio, que permitieron doblar la energía en centro de masas hasta 200 GeV convirtiéndole en una factoría de W+ W-durante 10 años más hasta que fue desmantelado para la construcción del LHC en el mismo túnel.

El LEP produjo física de gran precisión de los bosones W y Z, determinó que el número de familias de neutrinos ligeros era 3 y desarrolló una enorme cantidad de tecnología, tanto para su utilización médica e industrial, como de otros fines y fue el lugar donde se desarrolló la World Wide Web.

Paralelamente al LEP se comenzó, en 1983, la construcción del SLC en SLAC, terminada en 1987. Se trataba de un colisionador lineal de electrones y positrones con el acelerador lineal de 3,2 Km. y con la particularidad de que los haces estaban polarizados. La energía nominal se correspondía con la masa del Z, 91,2 GeV. Un primer detector denominado MARK II estuvo tomando datos al principio, hasta 1990, pero pronto se puso en construcción el detector SLD donde se recogieron, entre 1992 y 1998, medio millón de bosones Z completando los estudios del LEP de la interacción electro débil.

Una cavidad de radiofrecuencia de LEP, actualmente en la exhibición Microcosm del CERN.

En el próximo post, que será el último de esta serie, os contaremos sobre el presente de los aceleradores de partículas.

[1]  “Inward Bound”, A. Pais, Oxford University Press, 1986

[2] “Infinitamente CERN, testimonio de 50 años de investigación”, CERN-2008

[3] https://es.wikipedia.org/wiki/PETRA

[4] https://history.fnal.gov/main_ring.html

[5] http://www.desy.de/research/facilities__projects/hera/index_eng.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Tevatron

[7] http://www.fnal.gov/pub/tevatron/tevatron-accelerator.html