miniatura|Vista aèria del sincrotró ALBA al Barcelona Synchrotron Park, al costat del campus de la Universitat Autònoma de Barcelona, a Cerdanyola del Vallès. Els acceleradors de partícules són aparells que utilitzen camps electromagnètics per a accelerar partícules amb càrrega elèctrica (electrons, protons, positrons, ions) fins a velocitats molt properes a la de la llum, amb la finalitat d'estudiar els efectes de les col·lisions violentes amb altres partícules o nuclis.
El 1931 els físics estatunidencs Ernest O. Lawrence i David H. Sloan, a la Universitat de Califòrnia a Berkeley, empraren camps d'alta freqüència per accelerar cations de mercuri a més d'1,2 MeV. Els primers experiments amb ions accelerats artificialment es realitzaren el 1932 a la Universitat de Cambridge per part dels físics irlandesos John D. Cockcroft i Ernest T.S. Walton. Aquests científics aconseguiren accelerar protons fins a energies de 710 keV i demostraren que podien reaccionar amb nuclis de liti, produint dues partícules α energètiques.
Els grans acceleradors de partícules s'empren a l'estudi de partícules elementals (quarks, bosons...). Milers d'acceleradors de baixa i mitjana energia són utilitzats en la indústria, la medicina i la recerca. Les aplicacions inclouen la implantació d'ions per a la fabricació de xips informàtics, l'enduriment de plàstics, el tractament superficial de metalls, el mecanitzat de precisió de components i membranes en miniatura, l'esterilització d'aliments i envasos, així com la gestió de residus industrials. Els sincrotrons generen radiació de sincrotró, essencial per a l'estudi de estructures cristal·lines complexes, proteïnes i altres molècules. Els protons són accelerats per produir neutrons mitjançant esbocí (spallation) per a estudis de difracció d'estructures similars. S'han emprat per a la síntesi de nous elements químics transurànids. Les aplicacions mèdiques principals inclouen els ciclotrons per a la producció d'isòtops radioactius, així com acceleradors lineals (LINACS) i sincrotrons de protons i ions per a teràpies avançades contra el càncer. Els acceleradors de baixa energia, com ara els de tipus Van de Graaff, són emprats en una varietat d'experiments de dispersió, incloent-hi la datació per carboni i l'anàlisi de materials. S'empren en la generació de raigs X i de neutrons que s'empren en escàners d'equipatges, control de mercaderies a fronteres, etc.
Història miniatura|330x330px|Animació d'un accelerador de partícules lineal. Fins a l'any 1932, tota la recerca en física nuclear es dugué a terme emprant partícules α generades per desintegració radioactiva. Aquestes partícules α naturals tenien energies cinètiques de fins a 8 MeV. El físic britànic Ernest Rutherford (1871-1937), pioner en els estudis de partícules, considerava que, per dur a terme reaccions nuclears de nuclis més pesants amb partícules α, seria necessari accelerar-les artificialment a energies encara més elevades. Tanmateix, en aquella època semblava improbable generar camps elèctrics prou intensos en un laboratori per assolir aquestes energies. No obstant això, un càlcul realitzat el 1928 pel físic estatunidenc d'origen rus, George Gamow (1904-1968), aleshores a la Universitat de Göttingen (Alemanya), indicà que ions amb energies considerablement més baixes podien ser efectius, fet que impulsà els intents de construir un accelerador capaç de generar un feix de partícules adequat per a la recerca nuclear. miniatura|Generador Cockcroft-Walton al Museu de Ciències de Londres.
El principi de l'accelerador lineal per ressonància fou demostrat pel físic noruec Rolf Widerøe (1902-1996) el 1928. A la Universitat Tècnica del Rin-Westfàlia d'Aachen (Alemanya), Widerøe utilitzà un alt voltatge altern per accelerar cations de sodi i potassi fins a energies el doble de les impartides per una sola aplicació del voltatge màxim. Posteriorment, el 1931, als Estats Units, els estatunidencs Ernest O. Lawrence (1901-1958) i el seu assistent David H. Sloan (1905-1990), a la Universitat de Califòrnia a Berkeley, empraren camps d'alta freqüència per accelerar cations de mercuri a més d'1,2 MeV. Aquesta fita amplià l'èxit de Widerøe en l'acceleració de cations pesants, encara que no foren útils per a la recerca nuclear.
El mateix any, el físic estatunidenc Robert J. Van de Graaff (1901-1967), a la Universitat de Princeton (Nova Jersey), construí el primer generador electroestàtic d'alta tensió carregat per corretja. Els primers experiments reeixits amb ions accelerats artificialment es realitzaren el 1932 a la Universitat de Cambridge, Anglaterra, gràcies als irlandesos John D. Cockcroft (1897-1967) i Ernest T.S. Walton (1903-1955). Mitjançant un multiplicador de tensió (generador Cockcroft-Walton), aconseguiren accelerar protons fins a energies de 710 keV i demostraren que aquests reaccionaven amb el nucli de liti, produint dues partícules α energètiques. Ambdós tipus de generadors encara es fan servir com a fonts d'energia per a acceleradors.miniatura|Esquema del ciclotró a la seva patent.|330x330px L'accelerador per ressonància magnètica, o ciclotró, fou concebut per Lawrence com una modificació de l'accelerador lineal de Widerøe. L'estudiant de Lawrence, M.Stanley Livingston (1905-1986), demostrà el principi del ciclotró el 1931, produint cations amb energies de 80 keV. L'any següent, Lawrence i Livingston anunciaren l'acceleració de protons a més d'1 MeV. Durant la dècada de 1930, les energies dels ciclotrons arribaren a uns 25 MeV, mentre que els generadors de Van de Graaff assoliren uns 4 MeV. El 1940, l'estatunidenc Donald W. Kerst (1911-1993), aplicant càlculs precisos d'òrbites al disseny d'imants, construí el primer betatró, un accelerador magnètic d'electrons (partícules β), a la Universitat d’Illinois.
Després de la Segona Guerra Mundial, la recerca en acceleració de partícules a altes energies avançà ràpidament. Edwin Mattison McMillan (1907-1991), a Berkeley, i Vladímir Iosifovich Vèksler (1907-1966), a Moscou, descrigueren independentment, el 1945, el principi d'estabilitat de fase. Aquest concepte permeté mantenir òrbites estables en acceleradors cíclics i eliminà les limitacions aparentment insalvables en l'energia dels acceleradors de ressonància per a protons, possibilitant la construcció d'acceleradors de ressonància magnètica (sincrotrons) per a electrons. La implementació de l'estabilitat de fase, coneguda com a enfocament de fase, fou demostrada amb la construcció d'un petit sincrociclotró a la Universitat de Califòrnia i un sincrotró d'electrons a Anglaterra. Poc després es construí el primer accelerador lineal de ressonància per a protons. Des de llavors, tots els grans sincrotrons de protons construïts depenen d'aquest principi. El 1947, William W. Hansen, a la Universitat Stanford (Califòrnia), construí el primer accelerador lineal d'ones viatgeres per a electrons, emprant tecnologia de microones desenvolupada per al radar durant la Segona Guerra Mundial. El 1956, Kerst plantejà que, si es podien mantenir dos feixos de partícules en òrbites que s'intersectessin, seria possible observar interaccions per col·lisió entre partícules que es desplacessin en direccions oposades. L'aplicació d'aquesta idea exigeix l'acumulació de partícules accelerades en anells de reserva. Les energies de reacció més altes avui dia assolibles es generen gràcies a aquesta tècnica.
Els avenços en recerca propiciats per l'increment de les energies dels protons conduïren a la construcció d'acceleradors cada cop més grans, una tendència que només s'aturà pels costos associats a la fabricació d'anells magnètics immensos —el més gran pesa aproximadament 40 000 tones. Una solució a aquest problema fou aportada el 1952, quan Livingston, Ernest D. Courant i H.S. Snyder demostraren la tècnica d'enfocament d'alternança de gradients (anomenada també enfocament fort). Els sincrotrons que empren aquest principi requereixen imants de només 1/100 de la mida necessària amb altres dissenys. Els sincrotrons recents es basen tots en aquest enfocament.
Components Els components d'un accelerador de blanc fix són bàsicament nou.
Font de partícules carregades miniatura|Esquema d'un canó d'electrons. Els electrons i els protons són les partícules més comunament utilitzades en els acceleradors. Els electrons se solen produir mitjançant un canó d'electrons. Aquest dispositiu conté un càtode (elèctrode negatiu) situat en el buit, que és escalfat fins que els electrons es desprenen dels àtoms que constitueixen el material del càtode (efecte termoiònic). Els electrons emesos tenen càrrega elèctrica negativa (–1,602 × 10–19 C) i són atrets cap a un ànode (elèctrode positiu) degut a la diferència de potencial amb el càtode, que es troba entre 50–150 quilovolts (kV). L'energia cinètica que adquireixen els electrons de massa (9,109 × 10–31 kg) és:
i la velocitat a la que són accelerats els electrons es pot calcular amb l'expressió:
Per a 100 kV de diferència de potencial, la velocitat amb que surten els electrons és d'uns 188 000 km/s, una velocitat considerable.
L'hidrogen, amb un sol protó, esdevé la font de partícules per als acceleradors de protons. En aquest cas, el gas s'ionitza —els electrons i els protons es separen mitjançant un camp elèctric—, i els protons escapen a través d'un orifici.
Injectors i extractors Els injectors i extractors són els dispositiu d'entrada i sortida de l'accelerador principal. En els grans acceleradors una xarxa d'acceleradors primaris preparen les partícules, les filtren, les col·limen i les acceleren, per tal que entrin al dispositiu principal en òptimes condicions.
Cambra de la trajectòria Les partícules no s'acceleren de manera individual, sinó en feixos de bilions. La cambra de la trajectòria conté el feix que s'accelera. És sotmesa al buit (10–6-10–8 mmHg) per tal d'evitar la pèrdua de partícules per interacció amb el gas residual.
Dispositiu accelerador miniatura|Esquema del funcionament d'un accelerador lineal. Una font de ions emet un feix de partícules que va travessant les successives plaques (en aquest cas, tubs) mentre un generador de radiofreqüència va canviant el voltatge de les plaques|330x330px Només les partícules que tenen una càrrega elèctrica neta poden ser accelerades (protons, antiprotons, electrons, positrons, ions….). El mètode d'acceleració es basa en l'atracció i la repulsió entre les partícules de càrrega i una llarga sèrie d'elèctrodes en què s'apliquen camps electromagnètics alterns. La força que els accelera és, per tant, la força de Coulomb, on representa el vector camp elèctric:
L'acceleració s'obté aplicant la 2a llei de Newton (). Així l'acceleració és directament proporcional a la càrrega i al camp, i inversament proporcional a la massa. A major massa menys acceleració:
Cal dir que quan la partícula adquireix una elevada velocitat es comencen a notar els efectes relativistes i la massa augmenta segons la relació:
On és la massa en repòs, la velocitat i la velocitat de la llum.
Alguns dels primers dissenys d'acceleradors de partícules, com el multiplicador de tensió i el generador de Van de Graaff, utilitzaven camps elèctrics constants generats per potencials de fins a un milió de volts, la qual cosa representava nombroses dificultats tècniques. Per aquesta raó s'ideà fer ús repetit de camps elèctrics més febles generats per voltatges més baixos, la qual cosa representa una trajectòria molt més llarga. L'energia cinètica final de les partícules depèn de l'efecte acumulatiu dels camps, de manera que moltes petites “empentes” es combinen per produir un efecte equivalent a una gran “empenta”. Aquest principi esdevé la base de dues categories comunes d'acceleradors moderns
els acceleradors lineals (LINAC) on les partícules travessen una vegada una seqüència de camps elèctrics acceleradors,