¿Por qué no construir un acelerador de partículas a nivel del suelo? ¿Cuál es la menor profundidad factible para construir uno?

Suponga que desea construir un acelerador de partículas en un área no comercial/no residencial. Cuesta más dinero cuanto más profundo desee construirlo, por lo tanto, desea construirlo lo más cerca posible del nivel del suelo.

¿Por qué los aceleradores de partículas no se construyen a nivel del suelo? ¿Cuál es la profundidad mínima a la que se pueden construir aceleradores de partículas y cuáles son las ecuaciones como la radiación de sincrotrón o la interferencia de luminosidad (o, al menos, los fenómenos, y no necesariamente las ecuaciones detrás de ellos) que determinan esto?

Mi especulación:

Alguna situación (olvidé dónde y cuándo) en la que una partícula perdida de un acelerador golpeó a alguien terminó en ellos por los efectos de ser de alta energía (¿hadrones?). Además, un investigador del Fermilab que impartió una de mis clases nos contó sobre una de las veces en que algunas partículas sueltas encontraron la salida del acelerador y dispararon un agujero de pulgadas de ancho a través de una viga de acero en una fracción de una fracción de segundo. .

Ahora, dudo que los ingenieros de aceleradores de partículas se sentaran en una conferencia y dijeran 'debemos construirlos bajo tierra o de lo contrario los rayos de partículas podrían atravesar a las personas', pero este es el único inconveniente que conozco que viene con un acelerador a nivel del suelo; accidentalmente puede liberar partículas de bastante alta energía que pueden golpear cosas.

La radiación solar también podría tener efectos notables, pero no estoy seguro.

¿Estás pensando en Anatoli Bugorski , el científico ruso que fue alcanzado por un rayo de un acelerador de partículas?
Yo diría que el costo de la tierra es una gran consideración. Al pasar a la clandestinidad, no necesita poseer toda la tierra que ocupa. Imagine el costo de un terreno de 100 km ^ 2 para albergar el LCH
@BruceWayne Sí.

Respuestas (5)

La razón principal para pasar a la clandestinidad es que la tierra de arriba proporciona algo de protección contra la radiación. Un acelerador en el que todo funciona correctamente es (fuera de la tubería del haz) un entorno de radiación relativamente baja. Sin embargo, si tiene un mal funcionamiento del imán de dirección o de enfoque, de modo que el haz se derrama fuera de la tubería, puede generar brevemente mucha radiación rápida.

La cantidad de blindaje que necesita depende de la energía del acelerador. Por ejemplo,

Cuanto menor sea la energía de su acelerador, menos necesitará un blindaje de tierra por razones de seguridad.

Otra respuesta señala que los experimentos de fondo limitado pasan a la clandestinidad para reducir los fondos de rayos cósmicos. Esta es una razón para poner sus detectores bajo tierra, pero no necesariamente una razón para poner su acelerador bajo tierra.

Entonces, los aceleradores se construyen bajo tierra porque la posibilidad de que las vigas funcionen mal y terminen 'disparando' la tubería es un peligro para la integridad del resto de la estructura y un peligro para quienes la rodean.
@ novecientos No es una posibilidad, sino una realidad práctica. Por ejemplo, como parte de la reciente actualización de 12 GeV en JLab, uno de los módulos de aceleración actualizados se instaló en el haz durante la ejecución de 6 GeV. La gente del acelerador tuvo todo tipo de problemas para lograr que el módulo prototipo se comportara bien; con frecuencia fallaba, desconectaba el linac y nadie podía caminar hasta él para repararlo durante un par de horas debido a la activación de neutrones. Sin embargo, los problemas de integridad estructural en general vienen mucho después de los problemas de radiación.
@rob Lo siento si esta es una solicitud tediosa, pero he estado buscando aquí: misportal.jlab.org/ul/Publications/search/… para obtener algún informe sobre eso y no pude encontrar nada. Estoy interesado en leyendo el informe.
También hay una gran diferencia en los requisitos de protección entre electrones, neutrones e iones (con, sin duda, varias oportunidades para que un tipo de haz genere otros tipos de radiación).
@ novecientos Bueno, probablemente no encontrará la perspectiva de mi usuario en un informe técnico. Sin embargo, esta nota informa que los módulos de prueba se ejecutaron desde enero hasta mayo de 2012 y lograron una hora de funcionamiento continuo a plena corriente y gradiente completo en abril de ese período.
@rob: no estoy seguro de esto. La fuente de fotones avanzados (APS) en Argonne aparentemente tiene electrones acelerados a 7 GeV en su anillo ( en.wikipedia.org/wiki/Advanced_Photon_Source ), pero según recuerdo, el anillo está bastante por encima del nivel del suelo.
@SamuelWeir No estoy tan familiarizado con el APS, pero la parte aérea parece ser el anillo de almacenamiento de electrones. Extraer la radiación de sincrotrón del anillo de almacenamiento es el objetivo de esa máquina. Una mirada rápida sugiere que el acelerador lineal, el refuerzo y el inyector, donde ocurre la aceleración, están cubiertos de tierra.
@rob: pero también hay mucha aceleración de electrones en los anillos de almacenamiento en forma de aceleración centrípeta, incluso cuando los electrones se mueven a una velocidad constante. De hecho, ese es el objetivo del anillo de almacenamiento: arrojar muchos rayos X duros debido a la aceleración (centrípeta) de los electrones en el anillo para experimentos alrededor del anillo. Mi mejor conjetura sobre la situación es que en los viejos tiempos, tal vez la radiación de los aceleradores era más una preocupación de seguridad y, por lo tanto, se construyeron bajo tierra, pero ahora la radiación es una preocupación menor con los anillos modernos. Sin embargo, solo es una suposición.
@SamuelWeir Recuerdo vagamente haber escuchado a alguien de Argonne explicar cómo funcionaban los sistemas de obturación de rayos X del APS, en una charla hace diez o quince años. Es un problema no trivial y cualquier respuesta que haga aquí será simplificada en alguna parte. Pero mi sospecha es que el anillo de almacenamiento tiene más componentes pasivos y menos componentes activos que las etapas previas a la inyección, por lo que se reduce el riesgo de un derrame de haz real.
Una razón más son las vibraciones. No desea que su haz de electrones se desvíe de su curso cada vez que pasa un camión.
Activación de @rob Neutron, de hecho... Cuando llegué a recorrer el LHC, pasamos a través de un conjunto de puertas entrelazadas cerca del vertedero de haz que a) habría impedido que cualquiera activara el acelerador y (potencialmente) nos matara, hasta que volver a salir y b) no dejarnos entrar hasta que los niveles de radiación en el interior estuvieran por debajo de los límites. Excepto que estaba cerrado en ese momento y todas las puertas estaban abiertas :)
Se cree que el haz del LHC es inofensivo si te golpea. Pero si te paras detrás del tipo que fue golpeado, probablemente sea fatal.
@RobertFrost A menos que sea un tubo de haz o una ventana de vacío, no es lo primero que golpea el haz.
Acordado. No estoy sugiriendo que el rayo sea seguro, solo una curiosidad interesante mientras hablábamos de seguridad.
@RobertFrost, ¿qué pasa con tu interior detrás de tu piel?
@Baldrickk Entiendo totalmente de dónde vienes. No puedo encontrar una referencia en este momento, pero entiendo que el rayo es tan fino que necesita unos pocos metros de recorrido después de golpear algo antes de alcanzar un diámetro peligroso. Estoy especulando ahora, pero tal vez porque su energía es tan alta, es más difícil de desviar que otros rayos.
@Baldrickk Los mecanismos de pérdida de energía son (1) la creación de radiación secundaria, como fragmentos nucleares, pares de partículas-antipartículas, fotones de brehmstrallung, etc., y (2) la creación de pares de iones de electrones. Es el segundo el que interfiere con la química de tu cuerpo, pero el primero domina a altas energías. Entonces, la deposición de mayor energía está en algún lugar aguas abajo de la primera interacción haz-materia, en el cono de partículas secundarias duras. Una vez aumenté la señal en un detector de electrones delgado poniendo un pequeño espesor de plomo en el camino; en lugar del primario, vio varios secundarios.
De lo que habla @rob no es meramente teórico. Conozco personas que han hecho accesos a ambientes de alta radiación (según los estándares del Departamento de Energía de los EE. UU.) sin blindaje porque el blindaje que se podría llevar en el acceso habría empeorado el problema y se habría tomado el tiempo para colocar un blindaje efectivo. habría significado más dosis que simplemente hacer el trabajo de forma rápida y sin problemas. Construyeron una maqueta y practicaron un par de veces en su lugar.

Las instalaciones de aceleradores de partículas son bestias complicadas y tienen varias partes. Dos subconjuntos de estos sistemas tienen diferentes razones para ser subterráneos.

  • Los mecanismos de generación, aceleración, dirección y enfoque del haz generan radiación ionizante ( principalmente por bremsstrahlung y beam scraping ). Algunas partes de algún sistema generan mucha radiación. Estas partes necesitan protección para proteger a las personas y un montón de tierra es una forma económica de obtener esa protección.

    Los costos de construcción civil suelen ser más bajos si se excava un túnel poco profundo y luego se amontona la tierra así obtenida sobre la parte superior, y este es un patrón común para la construcción de aceleradores en áreas con una densidad de población relativamente baja.

    Ejemplo actualmente en ejecución: CEBAF en Jefferson Lab en Newport News, Virginia, EE. UU.

  • El sistema detector que se utiliza para hacer ciencia con los haces detecta todo tipo de radiación y los grandes detectores obtienen muchas señales de los rayos cósmicos. Estos sistemas detectores pueden beneficiarse si se colocan bajo tierra, donde la sobrecarga reduce el fondo de rayos cósmicos, aunque esto es de mayor interés en la física de neutrinos, donde incluso con haces intensos, la velocidad en el detector es bastante baja.

    Desafortunadamente, los rayos cósmicos consisten en gran parte en muones (porque la atmósfera es un escudo suficiente para reducir la contribución de componentes menos penetrantes) y tienen un espectro que sube a energías muy altas, por lo que se necesita mucha sobrecarga para reducir significativamente el fondo.

    Ejemplo actualmente en ejecución: LHC en el CERN en Ginebra, Suiza.

Como una cuestión de política universal, las instalaciones con un haz lo suficientemente intenso como para atravesar los componentes de vacío del acelerador si se manejan mal (lo que ha sucedido, brevemente porque la máquina no funciona cuando el vacío está comprometido, en más de un laboratorio) no haga funcionar la máquina con personas en el recinto . Esto no se debe realmente a la preocupación de que las personas sean golpeadas por el rayo , sino a que la radiación generada por el aparato en funcionamiento representa una grave amenaza para la salud humana .

Es por el blindaje, según el sitio web oficial del CERN :

¿Por qué el LHC es subterráneo?

El LHC utiliza el túnel que se construyó para albergar el anterior gran acelerador del CERN, el LEP, que se desmanteló en 2000. La excavación de un túnel subterráneo resultó ser la mejor opción para una máquina de 27 km, ya que es más barato que adquirir un terreno para construir en la superficie y se minimiza el impacto en el paisaje. Además, la corteza terrestre ofrece una buena protección contra la radiación.

También porque construir dispositivos subterráneos tan grandes en forma de anillo suele ser más barato que construir en la superficie, ya que no es necesario adquirir una gran cantidad de terreno.

La fuente que vincula no menciona los rayos cósmicos. No son realmente una preocupación para los experimentos con colisionadores (muy fáciles de filtrar las cosas que no provienen del punto de colisión), e incluso se usan para la calibración.
La fuente vinculada dice que solo la corteza terrestre proporciona un buen escudo contra la radiación , por lo que podría significar un escudo para proteger contra la radiación que sale, o la radiación que entra, o ambas.

Una cosa que aún no se ha mencionado es la estabilidad estructural. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN se encuentra a unos 100 metros bajo tierra.

En las otras respuestas se argumentó por qué quieres estar a unos metros bajo tierra (protección contra la radiación), pero aunque el LHC puede alcanzar las energías más altas de cualquier acelerador construido por la humanidad, hasta ahora, esta profundidad es un poco excesiva. Incluso teniendo en cuenta el hecho mencionado de que es más fácil construir debajo de las casas de las personas que evacuar tres pueblos pequeños, la profundidad final de la construcción estará determinada por otros factores.

La razón por la que está tan bajo tierra es que a esa profundidad hay una capa de granito duro, mientras que por encima solo hay arenisca verde relativamente blanda. El colisionador tiene 27 km de largo, es muy importante mantener todas las partes alineadas tanto como sea posible (ya que necesita precisión micrométrica en los puntos de colisión). Descansando sobre esta capa de granito, la alineación solo depende de la fase de la luna (desplazando el suelo hacia arriba, pero aún más el cercano lago de Ginebra), así como la lluvia reciente (nuevamente, debido a la cantidad de agua en el lago Ginebra).

Para leer más (por ejemplo, por qué no todas las partes están a la misma profundidad y por qué el acelerador no está ni nivelado ni plano), consulte este folleto: CERN-Folleto-2017-002-Esp (página 20).

Por lo tanto, a veces cavar más profundo de lo estrictamente necesario para la protección contra la radiación sigue siendo rentable (de lo contrario, el colisionador ni siquiera funcionaría).

Un problema que las otras respuestas pasan por alto en gran medida es la economía simple.

Los aceleradores de partículas circulares son anillos continuos con diámetros que a menudo se miden en millas. Esta es una gran cantidad de bienes inmuebles a los que debe limitar el acceso si construye sobre el suelo. No solo está el terreno sobre el suelo que necesita para alojar el acelerador, está el espacio que ahora ha cortado (suponiendo que no eleve el acelerador para permitir que el tráfico pase por debajo).

Los Linac, por otro lado, aunque requieren mucho espacio, no cortan tanta tierra y, a menudo, se encuentran sobre el suelo ( SLAC o SAL son ejemplos)

¿Por qué no construir un acelerador de partículas a nivel del suelo? ¿Cuál es la menor profundidad factible para construir uno?
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