Desarrollo[editar]

Esquema de funcionamiento de un ciclotrón, el precursor del sincrotrón. El campo magnético es uniforme y se aplica en la dirección perpendicular a la órbita de las partículas. Las partículas se aceleran desde cero cada vez que atraviesan el campo magnético y describen una espiral cuyo radio aumenta hasta que emergen del acelerador.

El ciclotrón, concebido por el físico austro-húngaro Leó Szilárd en 1929, se puede considerar el precursor del sincrotrón. El ciclotrón usa un campo magnético estático para curvar la trayectoria de las partículas y un campo eléctrico oscilante de frecuencia fija para acelerarlas en un punto de su trayectoria. A medida de que las partículas aumentan su velocidad, el radio de su órbita aumenta, por lo cual describen una espiral.¹​ Ernest Lawrence diseñó y construyó el primer ciclotrón,²​ puesto en marcha por vez primera a finales de 1931. Esta máquina no era adecuada para la aceleración de partículas relativistas, cuya masa aumenta al aproximarse su velocidad a la de la luz, lo que causa un desfasaje con respecto a la oscilación del voltaje acelerador.³​

En 1934, Szilárd describió el principio de estabilidad de fase,¹​ fundamental en el diseño del sincrotrón. En 1945, el estadounidense Edwin McMillan y el soviético Vladimir Veksler propusieron, independientemente, un acelerador basado en este principio, variando la frecuencia del campo eléctrico a medida que la partícula incrementa su energía.⁴​ De este modo, las partículas reciben una cantidad de energía inversamente proporcional a su velocidad, lo que resulta en un haz estable donde las partículas viajan, en promedio, a la velocidad apropiada.⁵​ Usando este principio, Lawrence, McMillan y otros miembros de su grupo transformaron el cyclotrón de Berkeley en un sincrociclotrón en 1946. Este aparato llegó a a acelerar protones hasta 740 MeV e iones de Helio a 920 MeV.⁶​ El Phasotron, un sincrociclotrón para electrones construido por Veksler en Dubná alcanzó los 10 GeV.

Ilustración del principio de estabilidad de fase en el sincrotrón: la función periódica U(t) representa el campo eléctrico oscilatorio. Los tres puntos sobre la gráfica representan tres partículas viajando a velocidades ligeramente distintas. La partícula del centro alcanza el campo con la fase «óptima» W₀, entre 90 y 180°. La partícula que llega ligeramente por delante recibe menos energía del campo, y la que llega por detrás, más, de tal modo que las fases permanecen concentradas alrededor de W₀.

La máxima energía de los sincrociclotrones está dictada por el radio máximo de la órbita de las partículas, que no podían acelerarse más una vez alcanzado este

punto. En 1949, MacMillan construyó el primer sincrotrón de electrones, incrementando la magnitud del campo magnético en sincronía con la velocidad de los electrones y consiguiendo así mantener a estos en una órbita fija cerrada y acelerarlos hasta una energía de 300 MeV.⁴​ El primer sincrotón de protones fue el Cosmotrón, diseñado en 1948 y construido en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. El Cosmotrón comenzó a funcionar a la energía de 3.3 GeV a principios de 1953.⁷​ En 1952, varios de los colaboradores en el diseño y construcción del Cosmotrón publicaron una idea para aumentar la eficiencia de los sincrotrones alternando lentes magnéticas convergentes y divergentes —campo magnético de gradiente alternado— para focalizar el haz de partículas a lo largo de toda su trayectoria,⁸​⁹​ idea patentada ya en 1950 por Nicholas Christofilos.¹⁰​ Esta idea fue inmediatamente incorporada al diseño del sincrotrón de protones del CERN, donde hasta entonces se planeaba alcanzar una energía de 10 GeV.⁴​ Gracias al uso de gradiente alternado entró en funcionamiento en 1959 a 30 GeV.¹¹​ En 1960, entró en funcionamiento el AGS («Alternating Gradient Synchrotron» de 33 GeV en Brookhaven.¹²​

Bob Wilson, un antiguo colaborador de Lawrence, propuso separar los imanes focalizadores del haz de los imanes usados para curvar la trayectoria del haz de partículas en el sincrotrón de Fermilab, finalizado en 1972, donde se alcanzaron 400 GeV.⁴​ En las décadas siguientes se siguieron construyendo sincrotrones de mayor tamaño y energía, como el Tevatron en Fermilab o el LHC en CERN, dedicados al estudio de partículas subatómicas.

Aunque la radiación sincrotrón emitida por las partículas aceleradas constituye una limitación a la máxima energía alcanzable en un sincrotrón, los científicos pronto se percataron de las posibilidades que ofrecían los haces intensos de radiación ultravioleta y rayos X generados en los sincrotrones de altas energías,y en los 80, aparecieron los primeros anillos de almacenamiento diseñados exclusivamente como fuentes de radiación sincrotrón.⁵​ Algunos colisionadores de partículas obsoletos, como el sincrotrón de Stanford en los Estados Unidos, o DORIS y PETRA en el laboratorio Deutsches Elektronen-Synchrotron, Alemania, han sido reconfigurados para este propósito,¹³​¹⁴​¹⁵​ mientras que unos pocos, como CHESS, en la Universidad de Cornell, se utilizan a la vez para estudios de física de partículas y como fuentes de luz sincrotrón.¹⁶​