¿Por qué no construir un acelerador de partículas a ras de suelo? ¿Cuál es la menor profundidad posible para construir uno?

Question

Supongamos que quieres construir un acelerador de partículas en una zona no comercial/no residencial. Cuanto más profundo quieras construirlo, más dinero te costará, por lo que querrás construirlo lo más cerca posible del nivel del suelo.

¿Por qué no se construyen aceleradores de partículas a nivel del suelo? ¿Cuál es la menor profundidad a la que es factible 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 que los sustentan) que lo determinan?

Mi especulación:

Alguna situación (olvidé dónde y cuándo) en la que una partícula suelta de un acelerador golpeó a alguien acabó con los efectos de estar junto a un hadrón de alta energía. Además, un investigador del Fermilab que impartió una de mis clases nos habló de una de las veces en las que algunas partículas sueltas encontraron su camino fuera del acelerador y dispararon un agujero de unos centímetros de ancho a través de una viga de acero en una fracción de segundo.

Ahora bien, dudo que los ingenieros de los aceleradores de partículas se sentaran en una conferencia y dijeran "debemos construirlos bajo tierra o los haces de partículas podrían atravesar a la gente", pero éste es el único inconveniente que conozco de un acelerador a nivel del suelo: puede liberar accidentalmente partículas de bastante alta energía que pueden golpear cosas.

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

Answer 1

La razón principal para ir bajo tierra es que la tierra de arriba proporciona un cierto blindaje contra la radiación. Un acelerador en el que todo funciona correctamente es (fuera del tubo del haz) un entorno de radiación relativamente bajo. Sin embargo, si se produce un fallo en el imán de dirección o de enfoque, de modo que el haz se derrama fuera del tubo, puede generar brevemente mucha radiación puntual.

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

• El Acelerador de electrones de 12 GeV en el JLab está a siete u ocho metros bajo tierra, sólo un par de tramos de escaleras.

• El Máquina de protones de 1 GeV en la Fuente de Neutrones por Espalación está en realidad a nivel del suelo, pero hay una berma de tierra por encima.

• El (cerrado) Acelerador tándem de 25 MV en el ORNL en realidad hizo la mayor parte de su aceleración en una torre sobre el suelo, y las diversas vías de las vigas están en un único edificio sobre el suelo.

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

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

Answer 2

Las instalaciones de aceleradores de partículas son bestias complicadas y tienen varias partes. Dos subconjuntos de estos sistemas tienen diferentes razones para estar en la clandestinidad.

• Los mecanismos de generación, aceleración, dirección y focalización del haz generan radiación ionizante ( por bremsstrahlung y raspado del haz en su mayoría ). Algunas partes de algún sistema generan un lote de la radiación. Estas piezas necesitan un blindaje para proteger a las personas y un montón de tierra es una forma barata de conseguir ese blindaje.

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

  Ejemplo de funcionamiento actual: CEBAF en el laboratorio Jefferson de Newport News, Virginia, Estados Unidos.

• El sistema de detectores utilizado para hacer ciencia con los rayos detecta todo tipo de radiación y los grandes detectores reciben muchas señales de los rayos cósmicos. Estos sistemas de detectores pueden beneficiarse de ser colocados bajo tierra, donde la sobrecarga reduce el fondo de rayos cósmicos, aunque esto es principalmente de interés en la física de neutrinos, donde incluso con haces intensos la tasa en el detector es bastante baja.

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

  Ejemplo de funcionamiento actual: El LHC del CERN en Ginebra, Suiza.

Como cuestión de política universal las instalaciones con un haz lo suficientemente intenso como para cortar los componentes de vacío del acelerador si se desvían 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 es realmente de la preocupación que la gente será realmente golpeada por el rayo sino porque la radiación generada por el aparato en funcionamiento representa una grave amenaza para la salud humana .

Answer 3

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 fue desmantelado en 2000. La excavación de un túnel subterráneo resultó ser la mejor opción para una máquina de 27 kilómetros, ya que es más barato que adquirir terrenos para construir en la superficie y el impacto en el paisaje es mínimo. Además, la corteza terrestre ofrece un buen blindaje contra la radiación.

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

Answer 4

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

En las otras respuestas se argumentó por qué se quiere estar unos metros bajo tierra (blindaje 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 la gente que evacuar tres pueblos pequeños, la profundidad final de su construcción estará determinada por otros factores.

La razón de que esté tan bajo tierra es que a esa profundidad hay una capa dura de granito, mientras que por encima sólo hay arenisca verde relativamente blanda. Como el colisionador tiene 27 km de longitud, es muy importante mantener todas las piezas alineadas en la medida de lo posible (ya que se necesita una precisión micrométrica en los puntos de colisión). Al apoyarse en esta capa de granito, la alineación sólo depende de la fase de la luna (lo que desplaza el suelo hacia arriba, pero aún más el cercano lago Lemán), así como de las lluvias recientes (de nuevo, por la cantidad de agua del lago Lemán).

Para más información (por ejemplo, por qué no todas las piezas están a la misma profundidad y por qué el acelerador no está nivelado ni es plano) eche un vistazo a este folleto: CERN-Brochure-2017-002-Eng (página 20).

Así que, 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).

Answer 5

Una cuestión que se pasa por alto en las otras respuestas es simplemente económica.

Los aceleradores de partículas circulares son anillos ininterrumpidos con diámetros que suelen medirse en kilómetros. Se trata de una gran cantidad de terreno al que hay que limitar el acceso si se construye sobre el suelo. No sólo está el terreno sobre el suelo que se necesita para alojar el acelerador, sino también el espacio que ahora se ha cortado (suponiendo que no se elevar el acelerador para permitir que el tráfico pase por debajo).

Por otro lado, los linacs, aunque requieren mucho espacio, no cortan tanto terreno y suelen encontrarse sobre el suelo ( SLAC o SAL siendo ejemplos)