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Anillos de almacenamiento y de colisiones

Un anillo de almacenamiento de un haz colisionador, es también llamado colisionador, que es un tipo de acelerador cíclico de partículas, que almacena y luego acelera dos haces contrarrotantes de partículas subatómicas, antes de llevarlas a una colisión frontal entre sí. Debido a que el impulso neto de la dirección opuesta es cero, toda la energía de los rayos que chocan está disponible para producir interacciones de partículas de muy alta energía. Esto contrasta con las interacciones producidas en los aceleradores de partículas de objetivo fijo, en las que un haz de partículas aceleradas golpea partículas en un objetivo estacionario y solo una fracción de la energía del haz se transforma en energía de interacción de partículas. (La mayor parte de la energía del rayo se convierte en energía cinética en los productos de la colisión, de acuerdo con la ley de conservación del momento). 



En un colisionador, el producto o los productos pueden estar en reposo y prácticamente toda la energía combinada del rayo es por lo tanto disponible para la creación de nuevas partículas a través de la relación masa-energía de Einstein. La búsqueda de partículas subatómicas masivas, por ejemplo, la W y Z, partículas portadoras de la fuerza débil o del quark "superior", ha tenido éxito debido a la construcción de potentes aceleradores de partículas de anillo de almacenamiento de un haz colisionante, como el Gran colisionador de electrones y positrones (LEP) en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN ) en Ginebra y el Tevatron en el Fermi National Accelerator Laboratory ( Fermilab ) en Batavia, Illinois.

El elemento estructural básico de la mayoría de los colisionadores es un anillo de sincrotrón (acelerador). Los primeros proyectos de colisionador, por ejemplo, el colisionador protón-protón de Anillos de Almacenamiento Intersectantes (ISR), que operó en el CERN en la década de 1970, se construyó para colisionar haces de partículas idénticas y, por lo tanto, requirió dos anillos de sincrotrón que se entrelazaron para hacer que los haces colisionen en dos o más puntos. También se requieren dos anillos de sincrotrón si los haces que chocan contienen partículas de diferente masa, como en el colisionador electrón-protón que comenzó a funcionar en 1992 en DESY (Sincrotrón de electrones alemán) en Hamburgo, Alemania.

Un solo anillo de sincrotrón puede acomodar dos haces de partículas que viajan en direcciones opuestas, siempre que los dos haces contengan partículas que tengan la misma masa pero carga eléctrica opuesta, es decir, si los haces consisten en una partícula y su antipartícula, por ejemplo, un electrón y un positrón o un protón y un antiprotón . Se inyectan racimos de cada tipo de partícula en el anillo del sincrotrón desde una fuente de preaceleración. Una vez que se ha acumulado un número suficientemente grande de partículas en cada haz, los dos haces se aceleran simultáneamente hasta que alcanzan la energía deseada. A continuación, los haces chocan en puntos predeterminados rodeados de detectores de partículas. Las interacciones reales entre partículas son relativamente raras (uno de los inconvenientes de los sistemas de haz colisionante), y los haces normalmente pueden circular, colisionando en cada circuito, durante varias horas antes de que los haces se "descarguen" y la máquina se "llene" una vez más.

Fermilab fue el sitio del Tevatron, el colisionador protón-antiprotón de mayor energía del mundo, que operó de 1985 a 2011 y entregó haces de partículas a energías de 900 gigaelectrones voltios (GeV) por haz para producir energías de colisión totales de 1800 GeV (equivalente a 1,8 teraelectrones voltios, TeV). El CERN opera el anillo colisionador más grande del mundo, con una circunferencia de 27 km. De 1989 a 2000, el anillo contenía el colisionador LEP, que pudo alcanzar una energía máxima de 100 GeV por haz. Un colisionador de mucha más energía, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), que comenzó las operaciones de prueba en el CERN en 2008, reemplazó al colisionador LEP en el anillo de 27 km. El proyecto LHC está diseñado para provocar colisiones entre dos haces de protones o entre haces de iones pesados, como los iones de plomo. En 2009, el LHC se convirtió en el acelerador de partículas de mayor energía cuando produjo haces de protones con energías de 1,18 TeV. Como colisionador protón-protón, se espera que el LHC entregue una energía de colisión total de aproximadamente 14 TeV. El gran túnel de sincrotrón de 27 km está ocupado por imanes superconductores y alberga dos líneas de haces separadas con campos magnéticos opuestos para acomodar colisiones entre haces de partículas idénticas.

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