Aceleradores de partículas
Los aceleradores de partículas producen y aceleran haces de partículas cargadas, como electrones, protones e iones, de tamaño atómico y subatómico. Se utilizan no solo en la investigación fundamental para una mejor comprensión de la materia, sino también en una gran cantidad de aplicaciones socioeconómicas relacionadas con la salud, el monitoreo ambiental, la calidad de los alimentos, las tecnologías energéticas y aeroespaciales.
Los aceleradores de partículas son dispositivos que consiguen acelerar partículas subatómicas a velocidades increíblemente altas, cercanas a la velocidad de la luz, y conducirlas a través de un recorrido con el objetivo de que colisionan entre ellas, a la espera de que se descompongan en sus partículas más elementales. Aquellas indivisibles que sean lo más fundamental del Universo: el nivel más bajo de organización de la materia. Estos aceleradores son máquinas que exponen a partículas subatómicas cargadas eléctricamente a la influencia de unos campos electromagnéticos muy intensos que, a través de un circuito que puede ser lineal o circular (de esto dependerá el tipo de colisionador en cuestión), consiguen que dichas partículas lleguen a alcanzar el 99,9999991% de la velocidad de la luz, que es de 300.000 kilómetros por segundo.
Para conseguir esta increíble aceleración y la posterior colisión, los ingenieros y físicos tienen que esquivar muchísimos obstáculos. Como hemos mencionado al principio, son las máquinas más ambiciosas de la historia de la ciencia y de la humanidad. Pero, ¿en qué se basa su funcionamiento?
Los colisionadores de partículas contienen miles de imanes en su interior que son capaces de generar unos campos magnéticos 100.000 veces más intensos que la fuerza gravitatoria de la Tierra.
Paralelamente, para permitir el funcionamiento de estos imanes, dichas estructuras deben estar frías. Muy frías. Increíblemente frías. De hecho, hay que conseguir que el interior del acelerador se encuentre a una temperatura de unos -271,3 ºC, apenas dos grados por encima del cero absoluto, que se sitúa a los -273,15 ºC.
Una vez ya tenemos unas temperaturas lo suficientemente frías como para conseguir que los imanes aceleren a las partículas hasta cerca del límite de velocidad del Universo, hay que conseguir que, en el interior, no haya influencia de moléculas. En otras palabras, tenemos que conseguir el vacío absoluto dentro del acelerador.
Los aceleradores de partículas, pues, disponen de unos sistemas que permiten conseguir, en su interior, un vacío artificial menor que el que hay en el vacío espacial interplanetario. En cuanto se consigue todo esto, las partículas subatómicas (el tipo dependerá del acelerador en cuestión, pero el LHC, el más famoso, hace colisionar hadrones) pueden colisionar entre ellas y, tras el impacto, podemos medir los fenómenos que ocurren, a la espera de detectar la presencia momentánea (las partículas elementales que conforman a las partículas subatómicas compuestas no pueden “vivir” por sí solas, por lo que se desestabilizan a las pocas millonésimas de segundo) de las piezas elementales del Universo.
En resumen, un acelerador de partículas es una máquina que, gracias a la aplicación de campos magnéticos increíblemente intensos en un ambiente de vacío artificial casi absoluto y con un frío cercano al cero absoluto de temperatura, consigue acelerar partículas a una velocidad del 99,9999991% la de la luz para que, tras viajar por el circuito, colisionan entre ellas, a la espera de que se descompongan en sus partículas más elementales y podamos detectar su presencia para así entender la naturaleza más fundamental e indivisible del Cosmos [1].
¿Cómo funcionan?
Los aceleradores de partículas pueden ser de forma lineal (recta) o circular y tienen muchos tamaños diferentes. Pueden tener decenas de kilómetros de largo o caber en una habitación pequeña, pero todos los aceleradores cuentan con cuatro componentes principales.
1 una fuente que produce las partículas cargadas;
2 un dispositivo compuesto que carga las partículas de energía y las acelera aplicando un campo eléctrico estático u oscilante;
3 una serie de tubos metálicos en los que se han aplicado tecnologías de vacío para que las partículas se muevan libremente sin colisionar con moléculas de aire o polvo, lo cual podría disipar el haz, y
4 un sistema de electroimanes que dirigen y centran los haces de partículas o que cambian la trayectoria de estos antes de que sean bombardeados en la muestra que sirve de blanco.
¿Cómo se utilizan los haces de partículas?
En salud se pueden utilizar para esterilizar equipos médicos y pueden producir radioisótopos necesarios para sintetizar radiofármacos para el diagnóstico y la terapia del cáncer. Los grandes aceleradores también se utilizan para destruir las células cancerosas, revelar la estructura de proteínas y virus, y optimizar vacunas y nuevos medicamentos.
Investigación
Unos pocos aceleradores, los más grandes, se utilizan para hacer que las partículas subnucleares colisionan a casi la velocidad de la luz para avanzar en nuestro conocimiento de los orígenes de nuestro universo. Algunos de estos aceleradores también se utilizan para producir neutrones, normalmente ofrecidos para diversos usos por los reactores de investigación nuclear.
Medio ambiente
Por lo general, los haces de protones se pueden utilizar para detectar elementos químicos traza en el aire, el agua o el suelo. Por ejemplo, los productos químicos en las muestras de aire se recogen con filtros especiales que se estudian con técnicas analíticas. Los resultados revelan la concentración y composición de los diferentes contaminantes y proporcionan una firma única de la calidad del aire.
Las vigas industriales pueden interactuar con los átomos de un material objetivo para hacer que el material, por ejemplo, sea más duradero.
¿Cuáles son los diferentes tipos de aceleradores de partículas?
Implantadores de iones
Los implantes de iones se utilizan ampliamente en la industria para, por ejemplo, hacer que los materiales sean más resistentes a los daños causados por el desgaste y el uso. Alrededor de 12.000 implantadores de iones en todo el mundo ayudan a fabricar semiconductores para teléfonos celulares y paneles solares. También se utilizan en acabados metálicos, cerámicos y de vidrio para endurecer las superficies, hacerlas más duraderas y mejorar su longevidad. Los implantadores de iones también pueden mejorar la confiabilidad de los materiales utilizados para los implantes médicos, por lo que son más seguros de usar en el cuerpo.
Aceleradores de haz de electrones Con casi 10.000 máquinas en funcionamiento en todo el mundo, los aceleradores de haz de electrones son un caballo de batalla de la industria. Por ejemplo, ayudan a que los materiales sean más duraderos en temperaturas extremas o resistentes a los productos químicos. Los haces de electrones también se utilizan ampliamente para esterilizar productos médicos y alimentos, y para desinfectar aguas residuales. Se utilizan ampliamente en las industrias automotriz y aeroespacial, construcción de maquinaria y fabricantes de productos médicos.
Linacs Los aceleradores lineales (linacs) pueden variar en longitud, desde un par de metros hasta unos pocos kilómetros. Muchos de ellos se utilizan en la investigación científica. Los más conocidos son los linacs médicos instalados en los hospitales, que crean ráfagas de rayos X que se dirigen hacia las células tumorales para destruirlas. Hay alrededor de 1000 linacs médicos que operan en todo el mundo.
Ciclotrones más de 1200 ciclotrones en todo el mundo crean haces de protones o deuterones para usos médicos. Producen radioisótopos que se utilizan en la obtención de imágenes médicas para diagnosticar y posteriormente tratar cánceres. Muchos ciclotrones se encuentran en los hospitales para producir radiofármacos que salvan vidas y contienen radioisótopos de vida corta para los pacientes.
Sincrotrones
Los más de 70 sincrotrones son los gigantes entre los aceleradores de partículas. Se utilizan para la investigación científica y son más conocidos por ayudarnos a comprender las leyes fundamentales de nuestro universo, pero también por numerosas aplicaciones. Los científicos utilizan los sincrotrones para estudiar la química, la biomedicina, el patrimonio natural y cultural, el medio ambiente y mucho más.
Aceleradores electrostáticos, en particular los aceleradores en tándem, son menos costosos y los científicos los utilizan para investigar las propiedades de los materiales, monitorear el medio ambiente, apoyar la investigación biomédica, estudiar objetos del patrimonio cultural y más. Con los recientes aumentos en su capacidad, los expertos esperan que las 300 máquinas actuales crezcan en número en los próximos años [2].
[1] https://medicoplus.com/ciencia/tipos-aceleradores-particulas
[2] https://www.iaea.org/newscenter/news/what-are-particle-accelerators
