DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGA Y MECNICA

MATERIA: FSICA III

PROYECTO-MAQUETA ACELERADOR DE PARTCULAS.

ELABORADO POR:SUBT. CARVAJAL ANASR. ANDRS PULUPA26-ENE-2015

Propuesta: Construccin de una maqueta de acelerador de partculas.ObjetivosGenerales Observar in situ y despertar el inters de otros estudiantes del conocimiento de la fsica analizando y explicando el funcionamiento de un acelerador de partculas con la ayuda de la maqueta del acelerador de partculas. ste proyecto permite introducir, de manera smil e intuitiva el fundamento y la estructura funcional del acelerador de partculas real.

El reto ha sido el de obtener una maqueta real en la que se aprecie el comportamiento de aceleracin de una partcula fsica visible, alrededor de un anillo por la que circular a una velocidad controlable.Especficos Conseguir acelerar una bola de acero alrededor de un anillo hecho con tubo transparente de plstico, controlando de manera efectiva su velocidad de rotacin. Con ayuda de la esfera, simular una gran partcula visible, imitando lo que sucede en un acelerador real. AntecedentesEn 1808 los tomos se consideraban las partculas indivisibles ms pequeas que conformaban la materia luego de varios modelos atmicos se lleg al modelo atmico actual el cual con ayuda de la teora cuntica el cual explica el salto de los electrones de un nivel de energa a otro. Con ello tambin se descubri que el tomo no era la partcula ms pequea que compone la materia sino que este se compona de partculas an ms pequeas denominadas partculas subatmicas. con el fin de estudiar estas partculas se construyen los aceleradores de partculas los cuales son dispositivos que utilizan campos electromagnticos para acelerar partculas cargadas hasta altas velocidades y hacerles colisionar y que al suceder esto estas partculas generan otras partculas con el fin de estudiar estas partculas subatmicas y sus efectos.

Diseo de un acelerador de partculas circular

El primer acelerador de partculas fue creado en 1932 en la universidad de Cambridge Inglaterra por John Douglas Cockcroft y E.T.S. Walton el cual logro con xito acelerar protones a una energa de 710 keV (kilo electrn voltio) con ello se llegaron nuevos descubrimientos e investigaciones como el Bosson de Higgs, la creacin de agujeros de Gusano, agujeros negros, la existencia de las cuerdas (teora que promete unificar la teora cuntica con la relatividad).Existen dos tipos de aceleradores los circulares y los lineales.Acelerador lineal

Acelerador de partculas lineal

El fundamento de los aceleradores ms bsicos es el mismo que el del can de electrones que hay en un extremo del tubo de rayos catdicos. Es decir, consiste en un tubo ms o menos largo en el que se hace el vaco para que las partculas aceleradas se puedan desplazar sin encontrar obstculos. Las partculas son aceleradas mediante la aplicacin de un campo elctrico que se produce entre dos o ms placas cargadas.Los aceleradores de altas energas, ms sofisticados, se pueden esquematizar mediante el dibujo adjunto. El haz de partculas cargadas, va pasando sucesivamente por el interior de tubos metlicos de longitud creciente, A, B, C, D, E,.., que estn conectados a una tensin alterna. Para entender cmo funciona el sistema suponemos que se quiere acelerar un haz de partculas de carga positiva. Entonces, cuando se emite el haz, el primer tubo A tiene carga negativa y lo atrae producindole una aceleracin antes de que el haz penetre en el tubo.Cuando el haz viaja por el interior del tubo, lo hace pasando justo por su eje. El tubo lo atrae con la misma fuerza elctrica en todas las direcciones y, por tanto, no modifica la trayectoria del haz. Justamente cuando dicho haz llega al punto medio del tubo A cambia el sentido de la corriente que alimenta todos los tubos lo que provoca que el tubo A, que tena carga negativa, tenga carga positiva, el tubo B pase a tener carga negativa, el C positiva, etc. De esta manera, cuando el haz sale del tubo A, es repelido por l y atrado por el tubo B, lo que implica que el haz es acelerado en su trayecto de A hacia B. El mismo proceso se repite en cada etapa, es decir, cuando el haz llega a la mitad del tubo B, vuelve a cambiar de sentido de la corriente. B pasa a tener carga positiva, y A y C vuelven a tener carga negativa. As cuando el haz sale del tubo B, es repelido por l y atrado por C, con lo que haz vuelve a ser acelerado al pasar de B a C. Y as sucesivamente. Cada nuevo tubo tiene una longitud mayor que el anterior, porque la carga de los tubos cambia de signo a intervalos de tiempo iguales (determinados por la frecuencia de la corriente alterna que los carga) y en cada nueva etapa el haz viaja a mayor velocidadAcelerador de partculas circularUn acelerador de partculas circular es un tipo de acelerador de partculas en el que stas viajan mltiples veces a lo largo de un circuito de forma circular. Existen dos variantes de aceleradores circulares: los ciclotrones, que constituyen el primer modelo de acelerador construido, y los ms modernos sincrotrones, en los cuales se alcanzan energas en el rango de los TeV - inaccesibles a los aceleradores lineales.

Justificacin Obtener un conocimiento ms amplio sobre las partculas que componen nuestro universo. El acelerador de partculas proporciona una intrigante relacin entre lo real y lo ficticio, el poder determinar si es posible romper las normas que rigen nuestra comprensin del universo como por ejemplo el crear agujeros de gusano segn la teora relativista para poder crear un agujero de gusano es necesario rasgar el tejido espacio-tiempo esto se trat de verificar con los aceleradores de partculas pero el problema suscito en el corto tiempo que se muestran los efectos de la colisin entre partculas.

La gran meta de estos colisionado res es el querer representar la explosin que dio origen a todo el Big Bang y el al transcurso de esta investigacin y experimentacin se han producido en varios descubrimientos como el mencionado anteriormente y un gran avance es el bosn de higgs la que se le considera la partcula de dios la cual explicara de una forma fsica el origen de la masa, pero como muchas partculas se desintegra y es muy inestable y con ello tambin se descubrieron las antipartculas donde nace la teora de la antimateria y dice que el universo se compone de la materia de la que estamos compuestos y de la antimateria que no la percibimos peor si en el caso de percibirla terminara en un devastador desastre como la destruccin de el mismo universo por ende se lleva a una controversia al usar los aceleradores de partculas pero es un campo demasiado interesante y extenso que puede dar una respuesta del inicio del universo

Una traza hipottica del bosn de Higgs en una colisinComo es complejo obtener un acelerador real se lo puede realizar uno a escala donde una bola de acero simule una partcula esta maqueta servir para darnos una idea de cmo funciona un acelerador de partculas.Limitaciones 1. Una de las limitaciones y que podra salir de nuestras manos, est la adquisicin de todos lo materiales con las especificaciones exactas que se requieren, debido a su inexistencia en el mercado.2. Buscar buen asesoramiento en la parte electrnica del 3. Que el tiempo del tercer parcial nos sea suficiente para concluir el proyecto. AlcanceComo resultado final del proyecto realizado para la materia de Fsica III, en la Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, se obtendr una maqueta didctica que ayude en el aprendizaje de la materia mediante una aplicacin real de los principios de la Fsica, despertando previamente el inters en los observadores.Aprendizajes adquiridosAl realizar las investigaciones para realizar el proyecto que hemos planteado obtuvimos varias experiencias y un poco de conocimiento extra al que ya tenamos al ir estudiando la materia de fsica ya que en este proyecto hemos investigado sobre cul es el fin de construir un acelerador de partculas y con eso hemos hallado que una de la razones principales para realizar os aceleradores es el conocimiento nuevo sobre partculas ya existentes y que sucede si a dichas partculas colisionan con otras. Con este proyecto que hemos planteado hemos querido otorgar una visin amplia sobre el funcionamiento de nuestro universo pese a que el proyecto se lo realizar en forma de maqueta se trata de explicar el funcionamiento de uno rea y con ello incentivar a la investigacin de los componentes y descubrimiento que implica un acelerador de partculas y con ello poder lograr en un futuro que se pueda aplicar este tipo de conocimientos a un acelerador de partculas que podamos crear aqu en nuestro pas. Puesto que en este proyecto quisimos realizar una maqueta que represente el funcionamiento de un acelerador de partculas real ya que conociendo esto se puede entender mas de como poder realizar uno real pero esto no se podra haber lograra sin conocer antes Qu es un acelerador de partculas?, Cmo funciona un acelerador de partculas?, con que fin se construyen los aceleradores de partculas?, Qu descubrimiento se han realizado a travs del acelerador de partculas?, Qu conceptos se aplica a un acelerador de partculas?Como por ejemplo al ir investigando acerca de los aceleradores de partculas obtuvimos n conocimiento que indica que para estos aceleradores influye capos electromagnticos y con ello la electronegatividad de las partculas usadas como abemos cada partcula tiene una carga diferente a otro y con ello puede ganar las velocidad y energa a medida que se aplica un campo electromagntico claro que dependiendo de su electronegatividad tambin conocemos los diseos bsicos y ms complejos de un acelerador de partculas lo que cabe recalcar es el descubrimiento que podra revolucionar todo lo que conocemos que es el bosn de higgs esta partcula en especial se dice que sera de al que se compone y existe toda la masa pero es demasiado inestable lo que impide un buen estudio de dicha partcula ya que se desintegra al poco momento de su creacin, tambin un concepto fundamental de esto es la antimateria que afirma que nuestro universo est formado tambin por estas partculas que tiene un comportamiento opuesto al que conocemos. Estos conocimientos producen una gran incertidumbre en quienes lo estudian e investigan por ende al investigar este proyecto nos hemos empapado ms de posibles eventos que revolucionen la vida humana tal como benefician y hasta como su propia destruccin son unas de las consecuencias de estas investigacionesPropuesta del proyectoSe quiso proponer este proyecto ya que en nuestro pas no se ha generado fuentes de investigacin como estas que poseen otros pases siendo esto una fuente de conocimientos infinitos que se pueden ir descubriendo con el paso del tiempo ya que seguimos viendo lo que ocurre a nuestro alrededor pero no tratamos de entender por qu sucede eso y porque los fenmenos cambian y buscar las soluciones a problemas fsicos como los que hay en el presente este sera un pequeo avance para expandir la mente de todas las personas que lo observen y traten de obtener un conocimiento mayo r de nuestro universo.Tambin es importante recalcar que estas partculas explicaran de una mejor manera la unificacin de las fuerzas lo cual fue el sueo que tubo Albert Einstein en el lecho de su muerte todava so con unificar estas teoras y quien sabe que podamos lograrlo.Funcionamiento Bsico de la MaquetaLa idea base de este artilugio se basa en el gran experimento del acelerador de partculas de Ginebra CERN, en que se lanzan partculas reales por un anillo a una velocidad prxima a la de la luz.Nuestro proyecto de maqueta propones hacerla sobre un tubo de plstico transparente, en la que se har circular una bola de acero de tamao visible, impulsada por dos bobinas situadas en 180 de la circunferencia del anillo.Con la ayuda de la circuitera electrnica que se disear, se podr controlar la duracin del impulso elctrico que llega en cada bobina, esto conlleva una regulacin estable de la velocidad a la que circulara la bola.Se aadirn dos potencimetros de control para poder ajustar dicha velocidad entre un rango mximo y mnimo. Ver la fig.1

Fig. 1

Fundamentos Fsicos del proyectoIdea base, electromagnetismo. Qu sucede cuando con un hilo conductor construimos un solenoide por el que hacemos circular una corriente elctrica?Es de todos conocido que hemos construido un ELECTROIMN, con el podemos obtener un campo magntico a nuestro antojo, conectando o desconectando de la corriente elctrica dicho dispositivo, pero Cmo podemos impulsar una bola de acero aprovechando la fuerza electromagntica?Tal como nos indica la segunda ley de Newton (F = m.a). Podemos induciruna aceleracin fsica de una masa a partir de una fuerza aplicada.

Bien, como se ha indicado al principio, con un electroimn se podr obtener una fuerza electromagntica de diferente magnitud. Si sta se aplica adecuadamente sobre una masa ferromagntica, esta fuerza producir una aceleracin, tal como nos indica la segunda Ley de Newton.

Si se observa la figura 1, se ver como al conectar a la corriente elctrica el electroimn, ste produce un campo magntico que a su vez provocar una fuerza de atraccin sobre la esfera, que a su vez se acelerar hasta colisionar con el clavo.Diseando adecuadamente el tamao de la bobina del electroimn, como su nmero de vueltas y el voltaje aplicado, conseguiremos una fuerza de atraccin de mayor o menor magnitud.

Por qu una esfera?En nuestro proyecto se pretende simular la aceleracin de una partcula, a la cual se la har circular por un tubo. Por coherencia y su bajo coeficiente de rozamiento se ha basado el proyecto en este objeto. Y porque es la forma en la que representamos grficamente siempre una partcula atmica en fsica.Cmo continuar el recorrido la esfera?En la imagen de la fig1 la esfera queda inmvil una vez que ha colisionado con el clavo. En la maqueta se ha construido una bobina hueca para quepueda continuar su recorrido sin que colisione con nada a lo largo del anillo, escomo decir que circular por un tnel construido con la bobina, ver figura 2.

Fig. 2 a Fig. 2 b Materiales y Presupuesto:PRESUPUESTO

Detalle$Precio

Tablero de madera tipo "aglomerado" 60x805,00

1,5m deTubo manguera de agua flexible transparente 20mm1,80

Bola de acero de 12 mm1,00

15m Hilo de cobre esmaltado de 1mm3,50

2 Condensadores 6800uF/35V8,70

Transformador 12 +12V / 10A52,00

Componentes pasivos varios (resistencias, condensadores)5,00

C.I. NE555, 7815, 7805, PIC12F6754,50

Puente diodos de potencia 20A4,30

Diodos LED, Transistores, fototransistor6,20

Placa de circuito impreso virgen fotosensible7,30

Tornillera, cables, regletas de conexin, radiadores electrnica6,70

TOTAL PRESUPUESTO106,00

Para realizar este proyecto utilizarn algunos materiales fciles de encontrar, la parte mecnica se puede adquirir en cualquier ferretera y los materiales electrnicos se debern conseguirlos en tiendas electrnicas especializadas o bien por Internet.Los precios son aproximados, pueden variar de una tienda a otra.

Procedimiento 1. Realizar un esbozo hecho a mano para distribuir los diferentes elementos que formaran parte del proyecto.2. Sobre un tablero de madera de 80 x 60 cm ubicar los diferentes componentes del proyecto.

3. Encajar las bobinas para que su interior quede a ras de la madera, as elconjunto tubo de plstico-bobina quedar a nivel mejorando el deslizamiento de la esfera.

4. Hecha la electrnica de control junto con la fuente de alimentacin realizamos las primeras pruebas.

Conclusiones y recomendaciones Un acelerador de partculas es un instrumento muy til en la fsica no solo que ayuda a comprender que existen partculas an ms diminutas de las que tenemos conocimientos y se puede aplicar en otros campos no solo en la fsica sino en la medicina y tecnologa Para entender cmo funciona un acelerador de partculas debemos tener conocimiento de qumica fsica y electromagnetismo que es lo fundamental para saber su funcionamiento Se sabe que hay dos tipos de aceleradores lineales y circulares y su funcionamiento es igual pero la capacidad que tiene cada una hace la diferencia entre estos aceleradores de partculas Los aceleradores de partculas buscan dar una explicacin al inicio del universo la teora del big bang demostrando con las colisiones que se puede producir energa y posiblemente transformarle a masa Segn los temas que hemos investigado concluimos que para poder realizar en realidad un acelerador de partculas se necesita una inversin grande con lo que se pueda financiar el terreno y la construccin lo cual se debe ir recompensando con los estudios y los descubrimientos que se vayan dando lo cual tambin resultara e un avance tecnolgico y beneficiaria a nuestro pas Al realizar la maqueta podemos cuantizar el tamao de las maquinas reales que se utilizan con esto tener en cuenta la ingeniera que se utiliza para su realizacin Podemos concluir que estos avances son necesario s para aprender y comprender el universo segn el punto de vista fsico y matemtico Es recomendable obtener conocimientos previos e investigar para poder comprender estos funcionamientos no solo en fsica sino electrnica y otros campos de ingeniera para entender estos dispositivos.Fuentes de Consulta http://www.i-cpan.es/concurso3/docs/premio_experimentos.pdf http://www.mayahii.com/#!/salon/17444/1233 http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_mod/fotoelectrico2k4.pdf http://es.wikipedia.org/wiki/Electromagnetismo http://es.wikipedia.org/wiki/Acelerador_de_part%C3%ADculas