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Cómo construir un acelerador de partículas casero

La física de las altas energías, la de los sesudos investigadores de la mecánica cuántica que buscan desentrañar los misterios de la Naturaleza, puede ahora...

La física de las altas energías, la de los sesudos investigadores de la mecánica cuántica que buscan desentrañar los misterios de la Naturaleza, puede ahora entenderse mejor construyendo un acelerador de partículas educativo y casero.

Es claro que hacer aceleradores de partículas no es un asunto trivial, pues finalmente se requiere de enormes presupuestos, el apoyo de muchos países para construir aceleradores gigantescos, como el del CERN, y así tratar de realizar experimentos que nos muestren cómo se comporta la Naturaleza en las partículas subatómicas, en los quarks, en los componentes de todo lo que hace posible la existencia del universo.

Sin embargo, a alguien se le ha ocurrido hacer una versión miniatura de estos aceleradores, con fines meramente didácticos y aunque el problema no es sencillo, se trata de apreciar el comportamiento de una partícula física visible que girará en un anillo a una velocidad controlada electrónicamente.

¿Versión casera del CERN?

El modelo a escala trata de copiar lo que se hace en el CERN, cuando se lanzan partículas por un anillo, todas a casi la velocidad de la luz. La propuesta del modelo es hacer esto en un tubo de plástico transparente, en la que se hará circular un balín de acero, de tamaño visible al ojo humano, impulsada por dos bobinas situadas una de otra a 180 grados de la circunferencia del anillo.

Mediante un circuito electrónico, se podrá controlar la duración del impulso eléctrico que llega a cada bobina. Para ello se usarán dos potenciómetros que permitan además ajustar la velocidad en rangos máximo y mínimo.

Cabe decir que esto es un modelo educativo, no usa partícula cercanas a la velocidad de la luz y solamente trata de ilustrar lo que se hace en laboratorios como el CERN.

De acuerdo al modelo diseñado, la bobina no está todo el tiempo prendida, sino que deberá conectarse en el momento preciso y desconectarla en otro momento exacto para que no se frene el balín cuando sale de la cercanía de la bobina. Por ello hay que diseñar la electrónica correspondiente.

El electroimán debe accionarse en el preciso instante que el balín entra en la bobina. Para ello se instaló una barrera de luz que detecta el paso de la esfera metálica, lo que provoca que se encienda la bobina y se genere un fuerte campo magnético.

La «barrera de luz» es en realidad un diodo emisor y un foto-transistor, que actúa como el receptor. Este último manda la señal correspondiente a la placa de control que a su vez acciona el electroimán.

Hay que decir que la fuerza que ejerce la bobina sobre el balín es siempre de atracción. Si la bobina no se apaga, entonces frenaremos el desplazamiento del balín y todo el trabajo será inútil.

Digamos que la bobina da el empuje para que se mueva el balín, pero debe apagarse por el efecto de atracción magnética. El circuito eléctrico se diseñó entonces para que diese un tiempo de encendido exacto. Se encontró que el tiempo de acción de la bobina va de 3 a 30 milisegundos.

Pero además de todo esto, el acelerador debe tener un detector para analizar los efectos y las posibles colisiones. Obviamente como en este caso se usa una sola esfera, un solo balín, no hay colisiones. Mediante una luz estroboscópica, sin embargo, podemos aproximar este efecto, haciendo ver que el balín de pronto está como detenido en un punto determinado.

¿Qué se necesita para armarlo?

Un punto interesante es la cantidad de energía que se necesita para que funcione el modelo. Se encontró que se requieren 30A/24V en cada bobina, que no es poca cosa. Así, tener fuentes de energía de este calibre implicó usar un transformdor de 12V + 12V /10A que carga unos condensadores grandes y entonces podemos hacernos de la energía que se requiere.

Las construcción del modelo se hace sobre un tablero de madera de 80 x 60 cms, en donde se ponen todos los componentes. Hay que definir dónde se ponen las bobinas y su construcción final. Desde luego, hay que hacer la electrónica de todo el juguete. El costo de este acelerador, que usa componentes fáciles de conseguir (ver la siguiente imagen), es de unos 116 euros (el proyecto se hizo en España)

Este es el video demostrativo:

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