La construcción de aceleradores de partículas requiere más que una aldea

Cada año, miles de personas viajan a lo largo y ancho para ver maravillas arquitectónicas como los imponentes escalones del templo de Kukulcán en Chichén Itzá o la intrincada fachada del Catedral de Colonia en Alemania. Al igual que estas maravillas de la historia y la cultura, miles de investigadores viajan cada año a las cinco instalaciones de fuentes de luz del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). Sin embargo, no vienen por las vistas, vienen a ampliar los límites de la ciencia, en campos que van desde las baterías hasta los productos farmacéuticos, mediante el uso de la luz de sincrotrón ultrabrillante, en su mayoría rayos X, de estas instalaciones para realizar experimentos.

La foto muestra una vista del túnel acelerador de la Fuente Nacional de Luz Sincrotrón II (NSLS-II) ubicado en el Laboratorio Nacional Brookhaven de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. Crédito de la imagen: Laboratorio Nacional de Brookhaven

Esta luz no aparece de la nada. Tiene que ser generado por aceleradores de partículas grandes y complejos. Y, para mantener los rayos X lo más brillantes posible, los científicos e ingenieros trabajan constantemente para mejorarlos. Esta historia destaca los proyectos de colaboración en curso de la División de aceleradores en el Fuente de luz de sincrotrón nacional II (NSLS-II), ubicado en el Laboratorio Brookhaven del DOE.

Según fuentes históricas, los alemanes tardaron más de 600 años en construir la Catedral de Colonia original, mientras que los arqueólogos especulan que el Templo de Kukulcán tardó al menos 200 años en construirse en dos fases. Miles de personas trabajaron en estos monumentos durante estos períodos de construcción extremadamente largos. Esta es una hazaña que comparten con los proyectos modernos de aceleradores de partículas. Si bien la construcción inicial de NSLS-II tomó solo una década, aún implicó un esfuerzo internacional de cientos de personas de muchas disciplinas y profesiones.

Desde los desafíos de ingeniería civil del diseño del edificio hasta la construcción de los cientos de imanes dentro del acelerador, realmente se necesita más que un pueblo para construir un acelerador de partículas para una fuente de luz de sincrotrón. Del mismo modo, muchos proyectos aceleradores modernos abarcan múltiples instituciones y países para aprovechar la experiencia en el campo.

“Nuestros expertos en aceleradores poseen una gran cantidad de conocimientos y experiencia práctica que aplicaron con éxito durante la construcción de NSLS-II”, dijo Timur Shaftan, director de la división de aceleradores de NSLS-II. “Ahora, estamos compartiendo este conocimiento a través de nuestras asociaciones activas con otros importantes proyectos de aceleradores en los EE. UU., impulsando aceleradores en todo el país”.

Los expertos de NSLS-II están trabajando con tres de las otras cuatro fuentes de luz del DOE para respaldar sus actualizaciones en curso.

Roma no se construyó en un día

Dos de las principales actualizaciones en curso en las fuentes de luz en los EE. UU. son avances fundamentales en la tecnología de aceleradores. Las fuentes de luz como NSLS-II utilizan miles de millones de electrones para generar sus rayos X. En el corazón de estas instalaciones, los electrones son impulsados ​​en grandes grupos, llamados racimos, a través de miles de pies de tubería de haz.

En las fuentes de luz circulares, cientos de imanes mantienen los electrones en su órbita alrededor del anillo. Estos imanes están dispuestos de una manera muy específica, llamada red magnética (la mayoría de las redes que se utilizan hoy en día se basan en la red acromática Chasman-Green o de doble curvatura), lo que permite a los científicos agregar dispositivos adicionales al anillo. Estos dispositivos adicionales, llamados dispositivos de inserción, son esenciales para una fuente de luz porque pueden generar haces de luz de sincrotrón particularmente brillantes al amplificar una propiedad natural de los electrones. Cada vez que los electrones viajan casi a la velocidad de la luz alrededor de una esquina, emiten rayos X. Al mover los electrones a través de largos recorridos de slalom, se amplifican los rayos X emitidos. Los dispositivos de inserción son exactamente eso: carreras de slalom para electrones.

El salto fundamental en la tecnología de aceleradores que ahora está en marcha es el siguiente paso en la evolución de las redes. El enrejado Chasman-Green original fue desarrollado para el NSLS original en la década de 1970 por los investigadores de Brookhaven Renate Chasman y George Kenneth Green. La red Chasman-Green marcó el comienzo de las fuentes de luz en una nueva era, pero los desafíos científicos actuales requieren rayos X más brillantes que nunca.

Así como la invención de los marcos de hormigón o acero para los rascacielos permitió a la humanidad llegar más lejos en el cielo, los nuevos desarrollos tecnológicos en la física e ingeniería de aceleradores permitieron a los científicos crear una nueva disposición que produce haces de rayos X aún más brillantes. Esta matriz se denomina «red acromática de múltiples curvas». Dos fuentes de luz en los EE. UU., la Fuente de luz avanzada (ALS) en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Fuente de fotones avanzada (APS) en el Laboratorio Nacional de Argonne, están a punto de reemplazar sus antiguos aceleradores de partículas por otros nuevos y más brillantes que utilizan esta nueva red.

Tales mejoras significativas para ambas instalaciones requieren cientos de nuevos imanes para dirigir los electrones. La División de Aceleradores de NSLS-II ha apoyado la Actualización de APS diseñando y supervisando la fabricación de 165 imanes de los 1.352 que se están fabricando para el complejo acelerador APS.

“Los imanes que diseñamos son muy versátiles. Tienen ocho polos, lo que les permite estabilizar mejor el haz de electrones en múltiples direcciones simultáneamente y alrededor de todo el anillo. Sin ellos, el haz de electrones se tambalearía a lo largo de la órbita, lo que mancharía el haz de rayos X. Cuanto más estable es el haz de electrones, mejor es la calidad de la luz de sincrotrón”, dijo Sushil Sharma, experto en ingeniería mecánica de NSLS-II.

Pero los imanes no son el único componente en el que está trabajando el equipo de NSLS-II para la actualización de APS.

“Estamos trabajando en cuatro contratos diferentes para el APS, incluida la instrumentación para la detección y gestión del haz de electrones y los enclavamientos para garantizar la seguridad de las personas que trabajan con el acelerador. En general, nos complace apoyar un proyecto de actualización tan importante en APS”, dijo Danny Padrazo, líder del grupo de diagnóstico e instrumentación en NSLS-II.

Si bien el equipo de NSLS-II no está trabajando en imanes para el como actualizado—el segundo gran proyecto de actualización— han estado trabajando en algo igual de importante: fuentes de alimentación.

“Nos hemos asociado con nuestros colegas de ALS durante los últimos cuatro años para diseñar, desarrollar, construir, probar y entregar 1000 fuentes de alimentación para ALS. Solo es un proyecto de $25 millones de dólares”, explicó Greg Fries, subdirector de la división de aceleradores de NSLS-II.

George Ganetis, experto en ingeniería eléctrica de NSLS-II, agregó: “Estas fuentes de alimentación se encuentran entre las mejores del mundo en términos de capacidades, rendimiento y tamaño compacto. Son extremadamente estables, lo cual es muy importante cuando se opera un acelerador de partículas”.

No es su proyecto de construcción común y corriente

Más cerca de casa, el equipo se está asociando con el Departamento de Aceleradores y Colisionadores de Brookhaven para avanzar en el gran proyecto más reciente del Laboratorio: el Colisionador de iones de electrones (EIC). El EIC será un acelerador de dos millas y media de largo que hará chocar electrones con protones y otros iones (los núcleos de los átomos). Con cada colisión, los científicos podrán vislumbrar el interior de los iones para aprender más sobre sus componentes básicos internos (el quarks y gluones que forman protones y neutrones) y la fuerza fundamental que mantiene unidos estos bloques de construcción.

Cuando la humanidad aprendió cómo funcionan los electrones y los detalles de la fuerza electromagnética, pudimos construir circuitos, computadoras y mucho más. Al comprender la fuerza fundamental que opera en los núcleos atómicos (la fuerza nuclear fuerte), los científicos aprenderán cómo los bloques de construcción más pequeños construyen la masa y otras propiedades de la materia. Este conocimiento podría ser la clave para descubrir las tecnologías del futuro.

En EIC, el equipo de NSLS-II apoya el diseño de la red magnética del acelerador. Aunque EIC es un colisionador, aún utiliza una disposición de imanes para dirigir los haces de partículas. El equipo está ayudando y considerando expandir el alcance del trabajo en diagnósticos de haz, sistemas de vacío y fuentes de alimentación.

¿Ha salido Elvis del edificio?

Con todos estos otros proyectos de aceleradores en todo el país y en Brookhaven, uno puede preguntarse si la División de Aceleradores de NSLS-II ha «pasado» de NSLS-II a todas estas nuevas máquinas. Pero eso no podría estar más lejos de la verdad.

“Todos los proyectos adicionales para otros aceleradores nos permiten mantener nuestras habilidades afiladas y aprender continuamente las mejores prácticas en nuestro campo complejo que cambia rápidamente”, dijo Fries.

Shaftan agregó: “Además de los beneficios para nuestras habilidades y los proyectos, todos estos proyectos son un gran ejercicio de preparación para la preparación de una futura actualización de NSLS-II”.

Como fue el caso con APS y ALS, la próxima etapa para NSLS-II puede implicar un reemplazo a gran escala de su acelerador. Mientras se evalúa la hoja de ruta para las futuras actualizaciones de las instalaciones, la División de Aceleradores mantiene su experiencia trabajando activamente en los proyectos de actualización de EE. UU. Estos esfuerzos brindan una experiencia valiosa para el desarrollo de la próxima fuente de luz de Brookhaven. La División de Aceleradores está trabajando para desarrollar una fuente de luz con capacidades que van más allá del alcance de las actualizaciones actuales en todo el mundo, y estas actividades son parte de la estrategia para lograr ese objetivo.

La Fuente de Luz Avanzada (ALS), ubicada en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, la Fuente de Fotones Avanzada (APS), ubicada en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS), ubicada en el Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del DOE, y el La fuente de luz de sincrotrón nacional II (NSLS-II), ubicada en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, son todas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Para obtener más información sobre estas instalaciones para usuarios, visite sitio web del DOE. Los proyectos descritos aquí están financiados a través de estas instalaciones y el Departamento de Energía.

Fuente: Laboratorio Nacional de Brookhaven

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