Particulas subatomicas

Hasta 1932 sólo se conocían tres partículas subatómicas, el electrón, el protón y el neutrón, que se consideraban elementales. Algunos años antes, Pauli había pronosticado la existencia del neutrino con el fin de explicar los cambios energéticos en ciertas desintegraciones radiactivas y en determinados procesos nucleares. Sin embargo, aún no se disponía de pruebas reales de su existencia.Aceleradores de partículas

La investigación de la estructura atómica con más detalle no habría sido posible sin el desarrollo tecnológico que permite concentrar las enormes cantidades de energía requeridas en el estudio del mundo subatómico. El avance teórico viene ligado al perfeccionamiento de los aceleradores y detectores de partículas.

Para estudiar las partículas fundamentales quecomponen el núcleo se emplean aparatos con energías superiores a un Gigaelectrón-voltio (GeV). Los aceleradores son enormes instalaciones de varios kilómetros que permiten generar violentas colisiones entre partículas. Son los instrumentos de mayor tamaño y más costosos utilizados en Física. Todos tienen los mismos componentes básicos: una fuente de partículas elementales o iones, un tubo donde existe unvacío parcial en el que las partículas pueden desplazarse libremente y un sistema para aumentar su velocidad.

En un principio, las partículas cargadas se aceleraban mediante un campo electrostático. Por ejemplo, situando electrodos con una gran diferencia de potencial en los extremos de un tubo de vacío, los británicos Cockcroft y Walton consiguieron acelerar protones hasta 250 000 eV (0,25MeV). A principios de la década de 1930 Van de Graaff diseñó un acelerador primitivo basado en dicho fenómeno. Este tipo de aceleradores puede alcanzar energías de 15 MeV.

El acelerador lineal, también llamado “linac” (al utilizar las primeras letras de su nombre en inglés), emplea tensiones alternas elevadas para impulsar partículas a lo largo de una línea recta, sincronizadas de forma que lapartícula sea impulsada hacia adelante cada vez que pasa por un hueco entre dos tubos metálicos, que se encuentran dentro de un cilindro en el que se ha hecho el vacío. El más grande del mundo se halla en la Universidad de Stanford (California, Estados Unidos), de 3,2 km de longitud, que acelera electrones hasta una energía de 50 GeV. En teoría, pueden construirse aceleradores lineales de cualquierenergía, lo que sucede es que conforme los experimentos demandan más energía se hace necesario incrementar el recorrido de las partículas aceleradas y eso acarrea graves problemas en la construcción del acelerador.

El estadounidense Ernest Lawrence recibió el Premio Nobel de Física en 1939 por un avance en el diseño de aceleradores llevado a cabo a principios de la década de 1930, cuandodesarrolló el ciclotrón, el primer acelerador circular. Era una especie de acelerador lineal arrollado en una espiral. En vez de tener muchos tubos, la máquina sólo posee dos cámaras de vacío huecas, llamadas des, que constituyen los electrodos, cuya forma es la de dos letras D mayúsculas opuestas entre sí. Un campo magnético producido por un potente electroimán hace que las partículas cargadas semuevan en una trayectoria curva, de forma que se aceleran cada vez que atraviesan el hueco entre las des. A medida que las partículas acumulan energía, el radio de sus trayectorias se incrementa y se acercan al borde externo del acelerador, por donde acaban saliendo.

Sin embargo, surge otra dificultad. Cuando las partículas aceleradas en el ciclotrón alcanzan una velocidad próxima a la de la luz,su masa aumenta de modo apreciable, tal como predice la teoría de la relatividad. Es más difícil acelerarlas, ya que los pulsos de aceleración en los huecos entre las des quedan desfasados. En 1945, el físico soviético Veksler y el norteamericano McMillan solucionaron este problema diseñando el sincrociclotrón, o ciclotrón de frecuencia modulada. En dicho instrumento, el oscilador o generador de...