Siempre que se acelera una partícula cargada, ésta emite radiación EM conocida como Bremsstrahlung y, obviamente, las partículas cargadas que se mueven en círculo se aceleran (hacia el centro). Esto significa que cualquier colisionador circular emite una corriente continua de radiación Bremsstrahlung. Para contrarrestar la energía perdida en Bremsstrahlung hay que poner energía, y eso cuesta dinero y molesta a las compañías eléctricas locales.

Para una energía de haz determinada, las pérdidas de Bremsstrahlung aumentan al disminuir la masa de partículas, por lo que cuesta un mucho más hacer funcionar un colisionador de electrones que hacer funcionar un colisionador de protones de la misma energía y corriente de haz. El colisionador LEP, con una energía máxima de aproximadamente 200GeV, consume alrededor de 70MW cuando está en funcionamiento, mientras que el LHC con una energía de haz mucho más alta solo consume alrededor de 120MW. Estas cifras son un poco engañosas ya que incluyen los costos de enfriamiento, etc., y no solo el funcionamiento del haz. Según este artículo, la potencia necesaria para mantener el rayo en el LHC es de solo 20 MW. No he podido encontrar la información correspondiente para LEP.

Todos los futuros colisionadores de electrones / positrones propuestos son lineales. Esto evita las pérdidas de Bremsstrahlung cuando dobla el haz de partículas.

La energía perdida por una partícula al dar una vuelta en una máquina circular es

$$ U_0 \ propto E ^ 4R ^ {- 1} m ^ {- 4} $$

donde $ E $ es la energía del rayo, $ R $ es el radio de curvatura, $ m $ es la masa de la partícula que desea acelerar.

Resulta que para la masa de partículas pesadas partículas como muones, protones e iones pesados, la fuerza de campo de los imanes de flexión sigue siendo el factor limitante, pero las partículas ligeras como electrones y positrones simplemente irradian demasiada energía.

El problema no es simplemente desperdiciando energía, pero cómo empujar esa energía de regreso al rayo. La aceleración se realiza normalmente en secciones rectas del anillo utilizando un campo eléctrico de radiofrecuencia. Si el campo no es lo suficientemente fuerte (en relación con el espacio disponible) para compensar la energía perdida en las secciones de plegado, la máquina nunca funcionará incluso con una cantidad infinita de energía disponible de la red.

Por lo que te ves obligado a aumentar el radio para reducir la pérdida de energía y tener más espacio para compensarla, pero mirando la relación anterior, ves que no puedes ir demasiado lejos. Por ejemplo, TLEP planea tener un árbol de radio veces mayor que LEP, pero su energía no duplicará la de LEP y podría construirse solo en vista de una máquina de protones mucho más energética que vendrá en el futuro en el mismo túnel.

La otra forma es construir colisionadores directos como proyectos CLIC o ILC, que sin embargo no vienen sin dificultades técnicas.

Aparte de la razón mencionada en las respuestas anteriores (Bremsstrahlung), hay una cosa más por la que se usa el colisionador de protones: puede escanear una amplia gama de energías de colisión.

Debido a que los protones son partículas compuestas, sus colisiones son de hecho colisiones de quarks o gluones. Estos componentes tienen energías aleatorias y, por lo tanto, cada colisión suele tener una energía diferente. Esto es útil cuando busca una partícula con masa desconocida (como el bosón de Higgs). Entonces aplasta protones a 1.4 TeV, pero de hecho las colisiones reales están en un amplio rango de energías desde MeV a TeV. De esta manera, algunas de las colisiones estarán al nivel requerido para crear la partícula desconocida. Y recopila una gran cantidad de eventos para capturar estadísticas significativas para detectar la partícula.

Por otro lado: los colisionadores de leptones chocan los leptones siempre con la energía de trabajo. No se pueden explorar energías fuera del rango de diseño del colisionador de leptones. Por lo tanto, el acelerador de leptones es útil cuando desea concentrarse en la investigación de una sola partícula con una masa conocida. Sintoniza la energía con la masa de la partícula y obtiene los datos mucho más rápido. Pero tienes que conocer la masa de partículas por adelantado, lo que no fue el caso del Higgs.

Los colisionadores de protones y protones son mucho mejores para el descubrimiento que los colisionadores de electrones y positrones. La razón es que se desconoce la masa de una nueva partícula y la probabilidad de producción se asoma alrededor de este centro de energía de masa en los diversos canales de producción hipotéticos. En términos generales, los quarks en un protón obtienen partes fraccionales de la energía total de colisión, por lo que un colisionador antiprotón de protones es mejor para "escanear" un rango de masas en busca de una nueva partícula a una energía de haz constante. Mientras que la energía del haz de un colisionador de positrones y electrones tendría que ajustarse cuidadosamente.

Además, en el caso del bosón de Higgs, los canales más adecuados para el descubrimiento fueron los gluones, que se producen en las colisiones de quarks. Por ejemplo, una de las colisiones que conducen al descubrimiento se representa en los siguientes diagramas, donde $ H ^ 0 $ denota el bosón de Higgs, $ t, b $ son el quark superior e inferior, que se acoplan al campo de Higgs y $ g $ denota gluones, que llevan la fuerza fuerte y, por lo tanto, también se acoplan a $ t $ y $ b $. En el primer diagrama, la señal eran dos fotones $ \ gamma $ con una energía combinada de aproximadamente 125 GeV en el segundo caso, dos pares de leptones anti-leptones .:

Para Al estudiar las propiedades de una partícula recién descubierta, es mejor utilizar un colisionador de electrones, que luego se ajusta al pico de probabilidad de producción de estas partículas. Por ejemplo, el colisionador LEP corrió en el pico Z para realizar mediciones de precisión electro-débiles. Editar: mpv me adelantó a esta respuesta.