En los detectores de partículas se utilizan todo tipo de materiales desde el latón reciclado de los proyectiles de la marina soviética hasta diamantes. También se utiliza acero, oro, plomo, silicio, etc, cada uno de estos materiales tienes unas propiedades que lo hace más adecuado para una función u otra. Claro esta, cuando más caro es el material menos cantidad de este se utiliza y solo se utiliza si sus cualidades lo hacen imprescindible ¿Pero para que pueden servir los diamantes en la detección de partículas?
Cuando en el CERN escuchas hablar a alguien de diamantes puedes estar seguro, sobretodo si se hace durante un seminario, que no está hablando de bodas o anillos. Las imágenes que se ven tampoco corresponden con los diamantes tallados y brillantes habituales de las joyerías. La forma de estos diamantes es la de láminas de cristal finos de pocos centímetros cuadrados de área y un espesor de pocas décimas de milímetro. Pero claro, tampoco estamos hablando de diamantes naturales, son los llamados diamantes sintéticos o CVD, producidos por deposición química de vapor. El proceso consiste en depositar átomos de carbono que se encuentran en forma de gas (hidrocarburos) sobre un substrato. Se hace crecer el diamante en el substrato de forma controlada creando finas laminas de diamante.
Como es sabido, un diamante no es más que un compuesto de carbono donde los átomos están dispuestos en una estructura cristalina particular. Su rareza de forma natural lo hace extremamente caro y apreciado, pero hay otra característica interesante del diamante que no posee el carbono. El diamante puede ser semiconductor al igual que el silicio.
La física de semiconductores, en especial la del silicio, hace que el este elemento sea imprescindible para la electrónica y para ciertas aplicaciones de los detectores de partículas. El silicio se utiliza para la detección de la posición de las partículas con gran precisión en la parte cercana al punto de interacción, al haz de partículas. Detectores de trazas de silicio están presentes en casi todos los detectores modernos, en su parte interna, como los detectores como ATLAS y CMS. ¿Es posible que lo mismo se pueda conseguir con detectores de diamantes? Desde el principio de los años 90 se han estudiado las propiedades de los diamantes orientadas a la detección de partículas por su carácter semiconductor, para aplicaciones similares a las del silicio. Pero, ¿porqué alguien querría utilizar diamantes cuando el silicio es más económico y además su producción es más fácil? Hay unas cuantas características que lo hacen muy interesante y mejores que el silicio para ciertas aplicaciones, tres de ellas son :
- El diamante es muy resistente a la radiación,
- la señal que se obtiene por el paso de una partícula se puede recoger en la electrónica de lectura muy rápidamente,
- sus propiedades térmicas son excelentes.
Estas propiedades lo hacen un candidato ideal para un entorno de muy alta radiación y con una lectura rápida como es LHC, la frecuencia nominal es de colisiones cada 0.025 micro segundos. Un detector de trazas ideal en LHC podría estar formado por diamantes. Es posible que en un futuro se pudiera construir, pero ahora sigue siendo demasiado caro. Si miramos atrás, es impresionante el desarrollo del silicio durante las ultimas décadas su fabricación es cada vez más eficiente y económica. También en los inicios de la era electrónica era impensable utilizar silicio a ‘gran escala’ como se utiliza ahora. Los detectores de ATLAS y CMS utilizan decenas de metros cuadrados de silicio a un precio razonable. Sin embargo, seguramente no podemos esperar que esto ocurra con el diamante, los beneficios con respecto al silicio solo lo hacen mejor en un ambiente particular con lo que el desarrollo masivo en la industria no parece que se llegará a producir tan rápidamente como paso con el silicio. Aunque es verdad que el perfeccionamiento de las técnicas de fabricación ayudará en gran medida al abaratamiento del diamante y en este caso el sector del lujo puede ayudar. El diamante sintético se puede tallar al igual que el diamante natural con lo que no podemos tener anillos con diamantes sintéticos y para esto si que hay mercado.
Pero por el momento solo es posible utilizar diamante para monitorear las condiciones del haz. La función de estos monitores es la proporcionar información sobre el haz. El haz de LHC no es continuo, está formado por paquetes distribuidos por los 27 km que tiene el acelerador, la cantidad de partículas y la focalización de las partículas (como están de concentradas) puede cambiar para los distintos paquetes. El haz tampoco es constante con el tiempo entre otras razones porque va perdiendo intensidad, pero también porque puede tener inestabilidades debidas a pequeñas variaciones (corriente, frecuencia) en alguno de los componentes en el túnel. Hay controlar perfectamente imanes y electrónica en los 27 km. Como se trata de conseguir las condiciones óptimas, cuanta más información mejor rendimiento y control se alcanzan de cada una de las partes, es por ello importante saber el estado del haz. Otra función es la de la seguridad. Variaciones mayores de las debidas pueden llegar a desestabilizar el haz de forma que acabara golpeando los imanes o la electrónica. Para evitar esta situación si se detectan inestabilidades mayores de las permitidas automáticamente el haz se desvía de forma controlada a los “dumps” unos grandes bloques de cemento situado en el túnel.
Aunque parezca un uso muy especifico poco relevante, en realidad es muy importante, ya que hay pocos materiales que puedan resistir los niveles de radiación que se alcanzan cercanos al haz sin que su respuesta o funcionamiento se deterioren. Se evita de esta manera tener que remplazarlos o que dejen de funcionar después de unos años.
Los dispositivos de diamante sintético son uno de los candidatos para la nueva generación de detectores de trazas en la siguiente fase de LHC en la que se aumentará la luminosidad y por lo tanto la irradiación de las capas internas del detector. Para conseguir soportar los altos niveles esperados se necesitan detectores mucho más resistentes que los que se utilizan actualmente, el diamante cumple este requisito.
Más información : Cosmos, Symmetry, Synthetic diamond