Los fotones más energéticos creados por el hombre

En Física Médica se acostumbra a trabajar con fotones “fuera de lo normal”, rayos X o rayos gamma, ya sea para diagnóstico o para terapia.  Fotones cuyas energías  van desde  unos miles de  veces  hasta  algunos millones de veces las de la luz visible. A veces impresiona un poco que sigan siendo fotones “como los otros” y manejar palabras como “Mega electrón Voltio” nos dan la impresión de estar trabajando con auténticos monstruos.  Sin embargo, en realidad estas criaturas no son tan excepcionales.

Por fijar ideas,  la unidad de energía que nos interesa es el electrón-Voltio (eV),  la energía que ganaría un electrón cuando se le acelerara por una diferencia de potencial de un Voltio. La luz visible está compuesta por fotones de energías entre  2  y 3 eV.  Los fotones de los rayos X  tienen típicamente energías de 10-200 keV,  unas 10.000 veces más. Los isótopos que se usan en Medicina Nuclear producen fotones de hasta alrededor de un millón de eV  y en Radioterapia podemos llegar hasta incluso un factor 10-20 más arriba, 10-20 MeV.  ¡Impresionante! Pero…¿cuáles son los fotones más energéticos con los que uno puede tropezarse por el mundo? En particular, aquellos creados por el ingenio humano.

Vimos en este blog que el bosón de Higgs al desintegrarse produce a veces parejas de fotones y que éstos deben tener energías de al menos la mitad de la masa del Higgs , o sea,  unos 60 GeV (1 GeV = 1 Giga electrón Voltio = mil millones de electrón Voltios, 109 eV), mil veces mayores que nuestros fotones de Radioterapia.  Aún más,  en el gran acelerador del CERN, LHC,  se producen por otros mecanismos fotones  todavía más energéticos. Es fácil convencerse de que, como mucho, los fotones pueden llegar hasta cerca de la energía de los protones que se aceleran, en este caso unos 3500 GeV.  Para referirnos a ellos tenemos que cambiar de unidad, usamos los TeV.  1 TeV = 1 Tera electrón Voltio = 1000 GeV. Son fotones de 3,5 TeV.

La muestra más completa que he podido encontrar de fotones tan energéticos, llegando al máximo alcanzable, viene de un experimento pequeño del LHC: LHCf, especializado en detectar partículas que salen  pegadas al haz del acelerador. Sus detectores, casi de andar por casa, son unos sandwiches de distintos componentes como Wolframio (W), centelleador (Sci) y fibras centelleadoras . En la figura  (tomada de la publicación “LHCf, Technical Design Report CERN-LHCC-2006-004”) vemos la simulación de cómo podría ser la interacción de un fotón de muy alta energía que incide por la derecha con uno de estos sandwiches.  Lo más parecido que puedo imaginar a ver uno de estos monstruos.

LHCf

Hasta aquí hemos podido llegar con aceleradores. Cuando LHC vuelva a ponerse en marcha, en 2015,  doblará su energía de funcionamiento y llegará a producir algunos fotones de hasta unos 7 TeV, billones de veces más energéticos que los de la luz normal. Si uno echa las cuentas un TeV es prácticamente un ergio, la unidad de energía en el sistema CGS, ese que ya casi no se enseña en los colegios. Según la Wikipedia es aproximadamente la energía cinética de un mosquito volando. No estoy seguro de si la estimación es válida, pero no debe andar muy lejos y  es bastante respetable para un fotón. ¿O no? Uno podría pensar que si le da en la cara notará el golpe…

¿Y en el futuro? ¿Vamos a poder desayunar con fotones mayores que esos? Como estamos acostumbrados a ver en  los tubos de rayos X o en los aceleradores de radioterapia, para producir fotones de altas energías hay que acelerar partículas que luego transfieren su energía a los fotones. Y el tamaño de los aceleradores crece rápidamente con la energía  que queremos alcanzar. Fotones enormes requieren aceleradores enormes.

Recientemente se ha hecho público un estudio de físicos del CERN sobre un futuro acelerador. Sus siglas FCC, de Future Circular Collider, esconden una máquina de 100 km de circunferencia,  4 veces mayor que la del LHC,  que aceleraría partículas (protones) a energías de 50 TeV.  En la web del CERN  se pueden consultar detalles sobre los primeros pasos del estudio y también podéis ver la noticia en español en la web del proyecto CPAN. Siguiendo los argumentos del párrafo anterior, el FCC podría producir fotones de hasta unos 50 TeV. Os adjunto un esquema  de donde se situaría el FCC en relación a los alrededores de Ginebra y al acelerador actual, LHC.

FCC

Esquema que muestra dónde se situaría el FCC en relación al acelerador actual LHC

Pero en el mejor de los escenarios faltan aún muchos años para la puesta en marcha del FCC. ¿Digamos 20?. Y es que apenas hemos empezado a sacarle el jugo al acelerador actual y estas máquinas… salen muy caras. Mientras tanto quien busque fotones de esas energías o mayores,  tiene que pedírselos al cielo. Sabemos que en el espacio hay sitio para albergar aceleradores enormes y también que nos llegan continuamente a la Tierra fotones de muy altas energías, eso sí, con cuentagotas. Pero eso es otra historia que se contará en otra entrega de este blog.

11 Respuestas a “Los fotones más energéticos creados por el hombre

  1. La segunda parte me parece aun más interesante; mandar sondas espaciales con aceleradores incorcoporados?!
    José Luis podrías haber mencionado el porqué el interés de los físicos de conseguir partículas cada vez más energéticas y su beneficio para la física médica.

    • No dejé claro el final. La segunda parte será, espero, sobre los fotones de muy alta energía que nos llegan de fuentes cósmicas: naturales: binarias de rayos X, púlsares.etc.
      Y bueno, en realidad los fotones en este caso son un “producto secundario”. Intentamos alcanzar energías mayores para entender cosas cada vez más pequeñas. Es la manía de querer saber “de qué está hecho el mundo”. Casi todas las técnicas de la Radiofísica deben bastante a tecnologías inventadas originalmente para la Física Nuclear y de Partículas, deberíamos dedicar algunso posts a esto…

    • Tenemos previsto escribir un artículo en la línea que comentas, Pedro, sobre láseres ultracortos y de muy alta potencia que, efectivamente, son candidatos a convertirse en el futuro de la radioterapia

  2. Muy ilustrativo y claro José Luis. Enhorabuena.

    Hablando por hablar y sin ser un experto en el tema… ¿existirá un límite superior para la energía posible de un fotón? ¿será esa energía la del universo? ¿por qué esa energía y no otra?

    • Muchas gracias !
      La verdad, no sé si existe un límite superior. Seguro que a energías muy altas hay todo tipo de efectos de los que ahora aún no sabemos nada.

  3. Dos comentarios. El primero es que es extremadamente difícil que se produzcan fotones de 3.5 TeV, o 7 TeV en 2015… se espera que las energías más altas alcanzables por partículas fundamentales sea de a lo sumo 2 TeV. Esto es debido a que a esas energías las interacciones se producen entre los quarks y los gluones de los protones y cada quark lleva entre el 15% y el 20% del momento del protón mientras que el resto se reparte entre gluones y quarks del mar.

    Por otra parte, estos aceleradores son caros, mucho, pero Facebook acaba de pagar más de un LHC por Whatsapp y EEUU tiene varios portaaviones cuyo precio es parecido al del LHC…

    • Hola Xuan
      Estoy de acuerdo en el argumento y es extremadamente raro tener fotones tan energéticos Sin embargo es el límite teórico al que se puede llegar y los espectros de LHCf tienen candidatos hasta más de 3 TeV,
      http://www.stelab.nagoya-u.ac.jp/LHCf/LHCf/Papers.html –>
      Phys. Lett. B 703 (2011) 128–134
      Y estoy totalmente de acuerdo en cuanto al argumento del precio !

  4. Pingback: Los fotones más energéticos que conocemos | Desayuno con fotones·

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