ACELERADORES DE PARTICULAS Arnulfo Zepeda, Cinvestav 26 de abril de 2010

¿QUE SON LOS ACELERADORES? Los aceleradores de partículas son instrumentos que utilizan campos electromagnéticos para acelerar las partículas cargadas eléctricamente hasta alcanzar velocidades (y por tanto energías) muy altas. A. Zepeda

¿Qué son los aceleradores? Son instrumentos que producen haces de partículas con energías e intensidades específicas que pueden ser usadas en una gran variedad de investigaciones tanto básicas como aplicadas. El diseño, la construcción, el mantenimiento, la operación y el uso de estos tipo de instrumentos requiere la participación de científicos, ingenieros y técnicos provenientes de una gran cantidad de disciplinas. E. O. Lawrence, con una prototipo de su ciclotrón de 1929 (© CORBIS) G. Contreras 3

EJEMPLOS Tubo de rayos catódicos: como en televisiones y monitores antiguos. A. Zepeda

Su televisión tiene todos los componentes básicos de un acelerador de partículas. A. Zepeda

búsqueda de los elementos fundamentales de la materia: hasta grandes instrumentos que permiten explorar el mundo de lo infinitamente pequeño, en búsqueda de los elementos fundamentales de la materia: A. Zepeda

El LHC se diseñó para colisionar haces de protones de hasta 7 X1012eV de energía. Su propósito principal es examinar la validez y límites del Modelo Estándar R.López

Método moderno de aceleración Cavidades de radio-frecuencia:

Los aceleradores pueden tener una de las dos formas siguientes: Aceleradores lineales: la partícula arranca en un extremo y sale por el otro. Aceleradores construidos en forma de anillo: la partícula se acelera mientras da vueltas y vueltas y vueltas...

Elementos de un acelerador A grandes rasgos un acelerador consta de: ● Elementos a través de los que circulan las partículas.(cámara de vacío) ● Elementos que aceleran las partículas (cavidades de radiofrecuencia) ● Elementos que guían las partículas (dipolos, cuadrupolos,etc.) ● Elementos que miden las partículas (monitores de posición, etc

Colisiones de dos tipos Blanco fijo: Disparan una partícula contra un blanco fijo. Colisionadores: Dos haces de partículas se hacen colisionar entre sí. R.López

¿PARA QUE SIRVEN? Para explorar la estructura atómica y subatómica. Para analizar propiedades de materiales. Para tratar tumores. Para realizar análisis químicos y biomédicos. Para llevar a cabo estudios de los efectos de la radiación sobre los seres humanos. Para producir energía (energy amplifier). Y otras aplicaciones. A. Zepeda

Lineales pequeños y betatrones: terapia contra el cáncer Ciclotrones para producción de isótopos: marcadores radioactivos para la industria / marcadores bioquímicos para medicina

Sincrotrones de protones: terapia hadrónica contra el cáncer Courtesy of IBA Sincrotrones de protones: terapia hadrónica contra el cáncer Haces de electrones de baja energía: curar capas de pintura, polimerizar plásticos, esterilizar equipo/comida Espectrometría de Emisión de Rayos X Inducida por Electrones de Baja Energía

Altas energías: investigaciones de física fundamental Haces de iones pesados: implantación de átomos en circuitos electrónicos, grabado de circuitos, endurecimiento de metales Baja energía, alta intensidad: reacciones termonucleares autosostenidas, transmutación de desechos radioactivos (R&D actualmente) Altas energías: investigaciones de física fundamental Fuentes de luz: cristalografía de proteínas, litografía de chips, ciencias de materiales, medicina forense, geofísica, … … G. Contreras

COMPLEJOS DE ACELERADORES Para alcanzar altas energías se requiere una serie de aceleradores conectados en serie y de tal manera que cada uno recibe el haz de proyectiles y le proporciona un incremento considerable en su energía. Ejemplos: Complejo de aceleradores del CERN. Complejo de investigación de aceleradores de protones de Japón (J-PARC). A. Zepeda

Complejo de aceleradores del CERN

En LHC, 2.76 TeV/u 20202020 En SPS (Pb82+), 177GeV/u MeV/u = energy per nucleon 20202020 En LHC, 2.76 TeV/u En SPS (Pb82+), 177GeV/u En PS adquieren 5.9GeV/u En LEIR los iones (Pb54+) adquieren 72MeV/u

Programa de investigación con el acelerador lineal Se abrirá una convocatoria para recibir propuestas de uso del haz de protones. A. Zepeda

Colaboración internacional CERN Europa Estados Unidos Proyectos de cooperación entre Europa y América Latina HELEN: 4M€, 3 años, 36 instituciones, 4 de México, acaba de terminar EPLANET: 3M€, 4 años, 32 instituciones, 5 de México, acaba de iniciar.

Existing U.S. Proton Therapy Centers Midwest Proton Radiotherapy Institute at Indiana University, Bloomington, Indiana Loma Linda University Medical Center, southern California see also www.protons.com M.D. Anderson Cancer Center's Proton Therapy Facility, Houston, Texas Francis H. Burr Proton Therapy Center at Massachusetts General Hospital, Boston, Massachusetts The University of Florida Proton Therapy Institute, Jacksonville, Florida

Programa del CERN en hadroterapia Hadron Therapy continues to make progress PARTNER Marie Curie ITN project funded (CERN is the coordinator, 25 posts - 4 at CERN for 3 years) ENLIGHT (European Network for Light Ion Therapy) workshop at CERN (funded by COST; CERN is the coordinator of ENLIGHT): Novel Imaging systems. ULICE (Union of Light ion Centres in Europe): CERN is a ~10% partner Implementation in Member States HIT (Heidelberg) will be operational beginning of 2008 CNAO (Pavia) likely to be operational end of 2008 ----------- recent developments ----------- MedAustron (Wiener Neustadt) collaboration signed with CERN TERA-spin-off company, ADAM, created in Geneva ETOILE at Lyon …more to come

Funding Agencies for Large Colliders Established in 2003 as an informal venue for the discussion of large international particle physics facilities. Recognizes that the scale of future facilities in high energy physics will require international cooperation. Primarily focused on the International Linear Collider (ILC), but it has expanded to include a broader (and not exclusive) set of facilities now in operation (JPARC, LHC, Tevatron) and future proposed colliders (ILC, CLIC, Muon Collider). Agencies from three regions participate (Americas, Asia, Europe). Each region allotted five to seven delegates. Americas currently represented by only Canada and U.S. Offers participants an opportunity to share information and to begin preparatory discussions for future large facilities. Meets twice a year, next meeting January 18-19th, 2010 in Mumbai India. Pleased to invite a representative from the Mexican government to observe and consider regular participation.

Consejos nacionales para el apoyo del desarrollo de colisionadores de altas energías Asociación establecida en 2003 como un medio informal para la discusión sobre grandes instalaciones internacionales para física de altas energías. Enfocada principalmente al Colisionador Lineal Internacional, pero incluye un conjunto mas amplio de instalaciones en operación (JPARC, LHC, Tevatron) y colisionadores en diseño para el futuro (ILC, CLIC, Muon Collider). Participan agencias de tres continentes (América, Asia y Europa). Cada continente con 5 a 7 delegados. América representado por ahora solo por Canadá y Estados Unidos. Una oportunidad para compartir información y preparar discusiones sobre grandes instalaciones futuras. Se reúne dos veces por año. La próxima reunión es del 18 al 19 de enero de 2010 en Bombay, India. Se esta invitando a un representante del gobierno mexicano como observador y para que considere una participación regular.

Educación y entrenamiento Escuela de física de aceleradores y hadroterapia para estudiantes de licenciatura y postgrado y para profesores de educación media superior. Estancias de entrenamiento en el laboratorio del ININ. Intercambio con Europa a través de programas de movilidad como HELEN y EPLANET (L. Maiani, V. Riquer) Transferencia de tecnología. A. Zepeda

BENEFICIOS ADICIONALES Formación de recursos humanos altamente calificados en diversas disciplinas que intervienen en el diseño, construcción y operación del centro de hadroterapia, principalmente en el área de aceleradores. Desarrollo de aplicaciones en investigación básica y tecnológica en las áreas de física atómica y nuclear y en los sectores industrial, agroindustrial y de salud. A. Zepeda

PARA CONCLUIR En la comunidad mexicana ya hay experiencia en la participación en grandes experimentos de ciencia básica localizados en Europa, Estados Unidos y otros países. Pero ya es hora de emprender un gran proyecto de largo plazo de desarrollo científico y tecnológico localizado en México y de beneficio directo a la sociedad. El proyecto que aquí se discute tiene además la ventaja de ser relativamente de bajo costo en relación a las instalaciones que aquí se han presentado.

GRACIAS POR SU ATENCION !

¿Para qué sirven los aceleradores? Lineales pequeños y betatrones: terapia contra el cáncer Ciclotrones para producción de isótopos: marcadores radioactivos para la industria / marcadores bioquímicos para medicina Sincrotrones de protones: terapia hadrónica contra el cáncer Haces de electrones de baja energía: curar capas de pintura, polimerizar plásticos, esterilizar equipo/comida, … Haces de iones pesados: implantación átomos en circuitos electrónicos, grabado de circuitos, endurecimiento de metales Baja energía, alta intensidad: reacciones termonucleares autosostenidas, transmutación de desechos radioactivos (R&D actualmente) Altas energías: investigaciones de física fundamental Fuentes de luz: cristalografía de proteínas, litografía de chips, ciencias de materiales, medicina forense, geofísica, … … G. Contreras 34

PARTICIPACION DE INSTITUCIONES MEXICANAS EN EL PROYECTO Existe en México una comunidad numerosa interesada en el desarrollo y aplicación de aceleradores. En este tema se han desarrollado en los últimos años diversas reuniones y conferencias. Ejemplo: En particular en el Cinvestav trabajan varios colegas interesados en participar ampliamente en el desarrollo de un centro de hadroterapia. A. Zepeda

Personal del Cinvestav interesado en el área de aceleradores y hadroterapia Ricardo Lopez Guillermo Contreras Jose Mustre Rosa E. San Miguel Luis Manuel Montaño Juan José Godina Gerardo Herrera Luis G. Brieba Mauricio Carbajal Y muchos otros del Cinvestav y de otras instituciones, algunos aquí presentes [Universidad de Guanajuato (J.L. Lucio), Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (H. Salazar, etc.) A. Zepeda