Aceleradores de partículas, un invento revolucionario.

El pasado viernes 8 de junio la comunidad científica respiró aliviada tras las conclusiones que presentó Sergio Bertolucci, actual director de investigación del CERN, acerca de las mediciones efectuadas por el experimento Opera, y que ponían patas arriba la Teoría Especial de la Relatividad de Einstein.

El País, El Mundo, La Vanguardia, Abc, y otras cabeceras de referencia nacionales, han publicado la noticia del fallo que hubo en el sistema de cableado de fibra óptica en el momento de las mediciones, y de la invalidez, por tanto, de los datos obtenidos.

“Si fuera correcto, si fuera verdad que los neutrinos son más rápidos que la luz, sería como quitar un ladrillo de la base de un edificio, del edificio de la física, y entonces se desmorona entero”, apunta Antonio González Arroyo, catedrático de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM).

El "Atlas", uno de los detectores del acelerador de partículas más grande del mundo, el LHC. Fuente: CERN.

Pero el tema de hoy, no se centra en los fallos técnicos que inevitablemente se dan de vez en cuando en los procesos de experimentación, sino en la importancia de una excepcional herramienta que con sus resultados, hace posible el desarrollo de innumerables áreas tecnológicas. Hablamos de los aceleradores de partículas, un invento revolucionario diseñado para estudiar las fuerzas y componentes más esenciales de la materia.

Diagrama del ciclotrón en la patente de 1934. Fuente:www.wikipedia.org

El primer acelerador de partículas fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929, en la Universidad de California. Este físico fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1939 por el invento y desarrollo del Ciclotrón, el primer acelerador circular, un dispositivo para acelerar partículas subatómicas. Lo llamaban el “destroza átomos”, ya que buscaba romper los átomos para obtener energía atómica.

Parte del túnel de 27 km de circunferencia del que consta el LHC. Fuente: CERN

En 2008, se inauguró en Ginebra la instalación científica considerada como la más cara (4.000 millones de euros) y ambiciosa de la historia, el “Gran Colisionador de Hadrones” o LHC. Los científicos del CERN (Centro Europeo de Investigación Nuclear) llevaban desarrollándola más de 14 años. Es el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo. En su interior, las partículas subatómicas se aceleran a velocidades cercanas a las de la luz y las experiencias que se desarrollan en él nos desvelan algunos de los secretos mejor guardados de la materia y del universo.

Primer registro con haces de iones en el detector "Alice" del LHC. Fuente: CERN.

Pero los aceleradores no se utilizan solo para la investigación científica básica. El abanico de aplicaciones llega a campos tan dispares como la biología, la ciencia de los materiales, la física nuclear, la tecnología médica, la tecnología aeronáutica y espacial, la geofísica, la arqueología, el arte, la industria, etc. Veamos a continuación algunas de ellas:


 

Ilustración del rover "Curiosity", equipado con 17 cámaras, un brazo robótico y un gran número de instrumentos científicos. Fuente: NASA

Verificación y caracterización de componentes electrónicos.
Los componentes electrónicos están sometidos a una irradiación continua procedente de diversas fuentes que pueden afectar a su funcionamiento. En condiciones especiales de altos niveles de irradiación, como los que se encuentran durante las misiones espaciales, la radiación acumulada puede producir daños permanentes.
La irradiación a muy bajos niveles es responsable de otro tipo de efectos que afectan igualmente a la electrónica de consumo, en los que la interacción de una sola partícula es capaz de producir un mal funcionamiento de un equipo electrónico. Un ejemplo típico sería el cambio de estado de un bit en la memoria RAM de un ordenador que puede inducir un bloqueo del sistema operativo.
Haces de protones y neutrones pueden ser utilizados en los aceleradores de partículas para investigar daños por distintos niveles de irradiación de componentes electrónicos. La industria electrónica actual invierte considerables recursos en este tipo de investigaciones.

La astronauta Jemison a bordo de la EEI. Fuente: NASA

Efectos de la radiación en los seres vivos.
La radiación ionizante presente en el espacio significa un riesgo importante para los seres humanos que viven y trabajan en él. En particular, un problema de vigencia actual es el desarrollo de blindajes ante la radiación cósmica para los astronautas.
El conocimiento que tenemos actualmente sobre los efectos de la radiación cósmica sobre los seres vivos es escaso. El uso de haces de protones, como los producidos en un ciclotrón de aplicaciones médicas, puede ser utilizado para simular los efectos de la radiación cósmica en los seres vivos.

Emisión de rayos X mediante protones. Fuente: Google.

Inspección no destructiva de objetos.
La gran profundidad de penetración en la materia de las partículas cargadas con alta energía, como los protones, es el factor clave para su aplicación en diversas técnicas para la investigación no destructiva de objetos de tamaño moderado.La posibilidad de inspeccionar el interior de objetos complejos sin tener que destruirlos es lo que confiere interés a esta técnica.
Los protones de alta energía pueden ser utilizados también como una sonda analítica para investigar la composición química de los objetos. La emisión de rayos X inducida por partículas con protones es una técnica no destructiva que actualmente es utilizada para analizar la composición de objetos de arte y arqueológicos.
Estas técnicas pueden tener otra aplicación en el estudio de manufacturas industriales, pueden utilizarse en medicina y biología para detectar trazas de elementos pesados en el material orgánico, y en geofísica para estudiar las inclusiones en los minerales que nos dan información sobre la historia geológica de nuestro planeta.

Circonio puro. Fuente: www.wikipedia.org

Investigación en ciencias de la Tierra y planetarias.
Mediante los aceleradores de partículas es posible simular condiciones similares a las sufridas por los meteoritos combinando la irradiación con protones de diferentes minerales con técnicas de alta presión y temperatura.
Las muestras irradiadas se analizan luego con técnicas de caracterización como la espectroscopia Raman, difracción de rayos X o microscopia electrónica por transmisión. Un experimento de este tipo se ha realizado recientemente en el circón (ZrSiO4). Este mineral es uno de los más abundantes en los restos de meteoritos y aparece también de manera escasa en la parte superior de la corteza terrestre.
Este tipo de estudios está siendo de gran ayuda para avanzar en la solución de los numerosos problemas abiertos en las ciencias de la tierra y del espacio.

Chip electrónico creado a base de nanoconductores de silicio. Fuente: Google.

Litografía con haces de protones.
Los haces de protones pueden utilizarse para la construcción de nano o microestructuras en semiconductores como el silicio o el arseniuro de galio.
Irradiando áreas seleccionadas de un semiconductor con un microhaz de protones se pueden construir nanoestructuras mediante un ataque químico posterior que solamente afectará a las zonas no irradiadas. En este campo se han hecho grandes avances durante los últimos años. Esta técnica puede ser relevante para el desarrollo de nuevas tecnologías y está compitiendo con otras técnicas, en especial para el desarrollo de estructuras con dimensiones del orden de los 50 nanómetros. La posibilidad de desarrollar tales estructuras es muy importante para la industria electrónica.

Circunferencia de 4 kilómetros de diámetro del acelerador de partículas del laboratorio Fermi de Chicago. Fuente: www.efenal.gov

La invención y desarrollo de los aceleradores de partículas han marcado un punto de inflexión en el progreso científico y tecnológico.
Las aplicaciones desarrolladas por los científicos en torno al uso de aceleradores de partículas en los últimos años han tenido gran influencia en diversos campos tecnológicos y científicos y por tanto un impacto económico y social importante. Piénsese, por ejemplo, en el desarrollo de nuevos materiales, en el aumento de la fiabilidad de los equipos informáticos, en el mejor conocimiento de las condiciones climáticas o en el propio desarrollo de técnicas terapéuticas contra el cáncer.

Por no hablar de otros campos que no han sido mencionados o que ni siquiera han sido imaginados. Siempre existe necesariamente un retraso entre un hallazgo científico y su repercusión en nuestra vida ordinaria, pero es evidente que las aplicaciones que se están desarrollando hoy en día para los aceleradores de partículas serán beneficiosas, no sólo como búsqueda del conocimiento, sino también como aplicación práctica.



Fuentes:
Mètode. Revista de difusión de la investigación de la Universitat de València
Scientific American
Nature
elpais.com
elmundo.es
lavanguardia.com
wikipedia