Acelera un poco más

Como físicos médicos siempre estamos hablando de nuestros aceleradores de partículas, fotón por aquí, electrón por allá, que si la guía de ondas, que si el klystron, la radiofrecuencia… etc. Sin embargo (como suele pasar más a menudo de lo que debería), eso del acelerador de partículas puede sonar a ciencia ficción, a entelequia, quimera o leviatán para los profanos de la física y lleva muchas veces a la mezcla de elementos que no son del todo solubles, como un acelerador de uso médico con el LHC. Esto puede producir cócteles exóticos y sugerentes al estilo gin-tonic con frutos rojos, pero mejor si ponemos los puntos sobre las íes antes de coger un buen dolor de cabeza. ¡Aprendamos a beber cerveza antes de darle al combinado!

Por eso, sin querer entrar en detalle de cómo funcionan voy a intentar describiros un poco la fauna de aceleradores de partículas que tenemos en la actualidad, cuál es su apasionante historia y para qué se utilizan. Para una explicación detallada de su funcionamiento se necesitaría un post aún mucho más extenso.

Como siempre en la historia de la humanidad esto va de “un poco más grande”, “un poco más alto”, “un poco más rico” y en general “un poco más”. En este caso es “un poco más rápido”.

Desde que en 1911 Ernest Rutherfod y Hans Geiger bombardearon una placa de oro con partículas alfa y descubrieron el núcleo atómicos, los físicos de partículas utilizan el mismo método para descubrir la estructura interna de la materia. Básicamente es una idea muy simple. Imaginemos que tenemos un reloj de pulsera y queremos saber de qué esta hecho. Para averiguarlo tenemos diferentes opciones. La más limpia y aburrida sería abrirlo con un destornillador, analizar sus componentes y cómo funcionan entre ellos. Sin embargo supongamos que el reloj es extremadamente pequeño y que no existen destornilladores de ese tamaño, vamos a decir, de tamaño cuántico. En ese caso una opción más divertida sería coger el reloj y estrellarlo contra una pared lo suficientemente fuerte como para destrozarlo y después recoger sus piezas para examinarlas. Cuanto más duras sean las piezas más y más fuerte deberemos lanzar el reloj para poder ver de qué están hechas. Bajo esta idea de garrote y destrucción, y dado que cada nueva pieza que aparece en la materia parece ser más y más fuerte, los físicos empezaron a desarrollar los aceleradores de partículas.

TIPOS DE ACELERADORES

Existen dos subclases principales de aceleradores de partículas que dependen básicamente de cuál sea el recorrido de aceleración, si circular o lineal. Su invención y desarrollo fue casi simultáneo y ambos, circulares y lineales, se han combinado a lo largo de la historia para conseguir mayor aceleración. Como antes se ha mencionado, aquí también todo el mundo ha querido inventar el acelerador “un poco más pronto” que los demás y existen gran cantidad de proclamaciones sobre quién inventó el primer acelerador de partículas y qué fue. Aunque realmente poco importa. Por ello a continuación se mencionarán algunos primeros y que cada cual plante su bandera.

ACELERADOR LINEAL

Cockcroft Walton (CW):

Acelerador de Cockcroft Walton

Acelerador de Cockcroft Walton

El primer acelerador de iones positivos lineal que se inventó fue en 1932 el Cockcroft Walton. Se matiza lo “de iones positivos lineal” porque en muchas fuentes se puede encontrar que fue el primer acelerador lineal, pero esto es falso. Fue construido en el laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge por John Douglas Cockcroft y Ernest Thomas Sinton Walton. Convertía una pequeña diferencia de potencial de corriente alterna (AC) en una gran diferencia de potencial de corriente continua (DC). Bajo ésta se aceleraban protones hasta una energía aproximada de 750 keV. Para conseguirlo se utilizaron una serie de diodos y condensadores que iban “acumulando” la energía eléctrica hasta alcanzar la diferencia de potencial deseada. El gran logro de este acelerador fue obtener la primera transmutación de la materia completamente artificial al convertir átomos de Litio bombardeados por protones en dos átomos de Helio. Por este hecho sus creadores fueron galardonados con el premio Nobel en 1951.

Van der Graaff (VdG):

VanDGraff

También acelerando partículas en una sección lineal nos encontramos con el generador de VdG. Fue inventado en 1929 por Robert J. Van der Graaff en el MIT, en Estados Unidos. Mediante el uso de una cinta aislante (mayoritariamente de goma) se transportan cargas eléctricas hasta una esfera de metal conductora que por acumulación alcanza una diferencia de potencial. El primer generador de este tipo alcanzó 80 kV de diferencia de potencial, y desarrollos posteriores de 1931, alcanzaron diferencias de potencial de 1 MV. Como se puede notar la fecha de invención es anterior a la del CW. La confusión de atribuir al segundo la posición del primero puede ser debida a que con el CW se consiguió la transmutación de la materia mientras que con el primero no existen registros de grandes logros no-tecnológicos. También puede ser que la decadencia del imperio Británico en la década de los 30 necesitara de la implantación de banderas en cumbres más alta (esto último es de cosecha propia) o que, y los más probable, el diseño del CW estaba realizado en 1928 aunque no se acabó de construir hasta cuatro años más tarde.

Acelerador resonante (AR):

Lineal

El compañero inseparable de la Física Médica es este último acelerador lineal. Sus antecesores (CW y VdG) utilizaban una diferencia de potencial continua para acelerar las partículas. Esto tiene como gran problema que a partir de una determinada diferencia de potencial se crea un arco eléctrico que rompe el medio aislante y se descarga. Ya en 1924 Gustav Ising, adelantándose a esta idea, sugirió la posibilidad de usar una corriente alterna para acelerar partículas.
Sin embargo fue Rolf Widerøe quien patentó el acelerador en sí en 1928 construyendo uno de 50 keV (también anterior al CW).

La idea básica reside en disponer de una serie de cilindros huecos en línea y hacer que éstos vayan cambiando de polaridad. Una partícula cargada que pase por dentro de estos cilindros se verá arrastrada por el cambio de polaridad hacia adelante siempre que exista un cierto sincronismo entre su velocidad y el tiempo de alternancia de la polaridad. Como se suele decir, las partículas harían de surfistas encima de una ola, que serían los campos electromagnéticos alternantes de las cavidades.

Entre los años 1931 y 1934 se produjo una mejora del modelo por Sloan y Lawrence alcanzando la energía de 1.26 MeV. Pero el gran salto cualitativo se produjo en 1947 cuando, tras la Segunda Guerra Mundial Luis W. Álvarez (premio Nobel 1968 por el descubrimiento de multiples estados de resonancia de la materia gracias a su desarrollo de la cámara de burbujas de hidrógeno), construyó un modelo capaz de acelerar protones hasta los 32 MeV. La clave fue utilizar los generadores de microondas desarrollados para los radares de la Segunda Guerra Mundial como fuente de “corriente alterna”. De esta forma y con un tubo de 40 pies (12,19 metros) de largo se creó el Acelerador de Protones de Berkeley. Paralelamente en Standford, W. Hansen y los hermanos Varian desarrollaron la misma idea para electrones (los hermanos Varian fueron los inventores del klystron, fuente de las microondas de los radares) y fundaron en 1948 la compañía Varian y Asociados, principal vendedora de LINACs de uso médico hoy en día. Hansen no pudo disfrutar de su idea dado que murió en 1949 a consecuencia de una exposición prologada al berilio. Su mujer se suicidó a los pocos meses de este hecho y hasta ahí se puede leer (para que luego se diga que en el mundo de la física no hay intrigas).

Hoy en día el uso de aceleradores lineales de tipo resonante está muy extendido y se comercializan para uso industrial y tratamiento de pacientes en radioterapia (trabajando entre los 6 y 25 MeV con tubos –guías- inferiores a 2 metros). A fecha de hoy el mayor construido es el colisionador de electrones-positrones de Standford (SLAC) de 3,2 Km de longitud y 50 GeV de energía.

ACELERADOR CIRCULAR

La gran limitación de los aceleradores lineales es que la velocidad máxima (energía máxima) que se le puede administrar a las partículas que aceleran es proporcional a la longitud de la guía aceleradora. Como solución inmediata a este problema Lawrence planteó en 1929 inspirado por las trabajos de Ising y Widerøe utilizar una trayectoria circular de forma repetida para acelerar indefinidamente.

Ciclotrón:

Ciclotron

El primero de los aceleradores circulares inventado, contemporáneo a todos los lineales, fue el ciclotrón. Fue diseñado en Berkeley en 1929 por Ernest O. Lawrence (premiado por este hecho con el Nobel en 1939) y construido en 1931 por él mismo y M.S. Livingstone, si bien la idea parece ser que surgió del físico astro-húngaro Leó Szilárd. Este ciclotrón alcanzaba la energía de 1 MeV sin la necesidad de utilizar los grandes voltajes del CW o el VdG. La idea era el uso de dos núcleos ferromagnéticos huecos en forma de D enfrentados por su línea recta. Mediante la alternancia de la polaridad de estos núcleos se aceleraban las partículas al pasar de un núcleo a otro, mientras que un campo magnético perpendicular a las “Ds” hacía girar a la partícula en semicírculo en la cavidad hueca (bueno, realmente la partícula describe una espiral, dado que a medida que va ganando energía, el radio de curvatura es mayor para un campo magnético constante).

El modelo evolucionó hasta 1939 con el ciclotrón de 60 pulgadas (152 cm), también construido por Lawrence, que alcanzaba una energía de 12 MeV para protones. El límite físico de este tipo de aceleradores se encontró en el rango 10-20 MeV para protones ya que, a medida que la partícula ganaba más y más energía y velocidad, aumentaba de radio de rotación y perdía frecuencia de revolución, lo que acababa conduciendo a un desfase entre la frecuencia de alternancia en las polarizaciones de las Ds y el paso de la partícula.

Betatrón:

También circular, este acelerador lo desarrolló D. Kerst en 1940 en Illinois, aunque ya en los 30s, Widerøe, inventor del acelerador resonante, lo había intentado sin éxito.
El betatrón es un acelerador sencillo que imita en construcción a un transformador corriente en donde la segunda bobina se sustituye por un tubo vacío en el que se aceleran los electrones.
La energía a la que llegó en los 40 fue de 2.3 MeV, si bien modelos posteriores han alcanzado los 300 MeV. Se ha utilizado en la industria y en medicina y es uno de los predecesores del acelerador resonante de uso en radioncología. El primer centro privado para tratar el cáncer con un betatrón se abrió a finales de los 50s en Wisconsin. En España el primer betatrón para el tratamiento del cáncer se instaló en 1966 en Madrid y en 1967 se instaló en Navarra uno que alcanzaba los 18 MeV para el tratamiento del cáncer.

Los hijos del Ciclotrón:

Sincrociclotrón: La solución a la pérdida de frecuencia del ciclotrón fue ideada (o al menos patentada) por E. MacMillan en 1947, basándose en los trabajos de estabilidad de fase de Szilárd de 1934. Éste percibió que la solución para que no se perdiera la sincronización era disminuir la frecuencia de alternancia del campo eléctrico con el tiempo. Con esta medida solo un pequeño paquete de partículas podía ser acelerado, pero alcanzaban energías de hasta 740 MeV para protones.

Por parte de Rusia, Veksler desarrolló la misma idea paralelamente, culminando en el Phasotrón, un tipo de sincrociclotrón para electrones.
Ciclotrón Isocrono (o Focalizado por Sectores): La tercera versión de ciclotrones fue propuesta por L.H. Thomas en 1938 y consistía en aumentar el campo magnético con el radio del ciclotrón permitiendo de esta forma que lo acelerado no fuera sólo un pequeño grupo de partículas.

El sucesor, el acelerador de aceleradores:

Sincrotrón: El último desarrollo del sincrociclotrón se convirtió en el acelerador de partículas por excelencia en la investigación del que se dispone hoy en día.

En 1949, sólo dos años después del desarrollo del sincrociclotrón, MacMillan advirtió que si se aumentaba la intensidad del campo magnético, las partículas aceleradas quedaban confinadas en una órbita fija. De esa forma construyó un acelerador de electrones que alcanzaba los 300 MeV en Berkeley.

Posteriormente, en 1952, se construyó el primer sincrotrón para protones en Brookhaven, que ya alcanzaba una energía de 3.3 GeV. Le pusieron el nombre de Cosmotrón.

A partir de ahí empezó una escalada de energía que aumentó de década en década. En el CERN en 1959 se construyó el sincrotrón de protones de 30 GeV; en 1972 en Fermilab se construyó uno que alcanzaba los 400 GeV; en 1983 se acabó de construir el Tevatrón, también en Fermilab, un sincrotrón que alcanzaba 1 TeV para protones y antiprotones. El Tevatrón usaba un túnel de 6,3 Km de diámetro. Y finalmente en 2008 se puso en marcha en LHC (del inglés Large Hadron Collider – Gran Colisionador de Hadrones), en el CERN, un sincrotrón de 8,6 Km de diámetro que alcanza los 7 TeV (Si se hacen chocar dos haces acelerados en direcciones opuestas el doble, es decir 14 TeV) gracias al cual, el 4 de Julio del 2012, se descubrió el famoso bosón de Higgs.

Los sincrotrones se utilizan muchas veces de forma combinada. Por ejemplo, el LHC utiliza 3 sincrotrones auxiliares que van acelerando las partículas más y más rápidas hasta alcanzar la suficiente velocidad para ser inyectados en el sincrotrón “grande”. A estos sincrotrones auxiliares que van aumentando la velocidad se les llama boosters. El Tevatrón de Fermilab usaba un sincrotrón auxiliar o booster y un acelerador lineal resonante para alimentar a éste.

Y el híbrido….

Microtrón: Como nota cabe añadir que en 1944, Veksler, padre del Phasotrón, creó el microtrón, una curiosa combinación entre ciclotrón y acelerador resonante. La idea era utilizar las Ds de un ciclotrón para confinar la partícula en una órbita circular, pero acelerar electrones entre las Ds utilizando un acelerador lineal.

Familia

Y….¿PARA QUÉ SIRVEN?

Muchas veces como físicos escuchamos comentarios hirientes del tipo: “Vaya derroche de dinero”, “¿Cien millones de euros para eso?”…etc, etc. Y sí, los aceleradores de partículas son caros, pero también es cierto que sus beneficios bien los compensan.

Cuando en 1929 Van der Graaff inventó su acelerador seguramente no fue más que una curiosidad, un artículo de feria. De hecho, en muchos museos de la ciencia se encuentran generadores de Van der Graff: Sin embargo no cabe duda de que el generador de Van der Graff constituyó un primer paso, siempre necesario, para construir máquinas más potentes con importantes aplicaciones en la industria, medicina e investigación.

Hoy en día el uso de aceleradores de partículas está muy consolidado y haremos un repaso para ver en que se usa cada uno de ellos.

ACELERADOR LINEAL (RESONANTE): Las aplicaciones de los aceleradores lineales son múltiples. Entre ellas destaca su uso para el tratamiento de tumores en los hospitales con haces de fotones (rayos-X) y electrones. Pero también se usan en la industria para el análisis de materiales, biológicos e inorgánicos, y para la microelectrónica. Otro uso importante es la alimentación de sincrotrones (inyectan partículas cargadas ya a una cierta velocidad) o de láseres de alta potencia.

CICLOTRÓN: Fabricación de radioisótopos para medicina. Mediante el Ciclotrón se crean radioisótopos emisores de positrones fundamentales para el obtener imágenes en los equipos PET (positron emision tomography).
También se usan para radioterapia externa en tratamientos con protones (protonterapia) o neutrones.

SINCROTRÓN: Las tres principales aplicaciones de los sincrotrones son la de anillo de almacenamiento emisor de radiación sincrotrón , booster o para investigación subatómica.

Los científicos se percataron de que llegado un punto las partículas ya no podían acelerar más porque al estar sometida a una aceleración, las partículas cargadas emiten radiación. Al emitir esta radiación pierden energía y si la energía que se suministra es igual a la energía que se pierde se alcanza un equilibrio. La energía que se radia (radiación sincrotrón) son rayos-X y radiación UV y su cantidad crece con la velocidad. Eso implica que cuanto más rápido vaya la partícula más energía perderá en forma de radiación y más difícil será seguir acelerándola. Cuando la energía que suministra el sincrotrón es igual a la energía que se pierde, las partículas quedan confinadas en una orbita estable a velocidad constante y entonces se dice que el sincrotrón trabaja como anillo de almacenamiento. La utilidad de estos anillos de almacenamiento viene precisamente de la radiación que se emite, que por sus propiedades es especialmente buena para observar objetos muy pequeños como moléculas orgánicas o materiales industriales de todo tipo.

anilloalmcenamiento

Sincrotrón (anillo de almacenamiento)

 

La segunda utilidad de los sincrotrones es la de “booster” que, como se ha comentado anteriormente, consiste en acelerar las partículas como paso intermedio para una aceleración posterior mayor.

Y por último, los sincrotones también se utilizan para el estudio de partículas subatómicas, como es el caso del LHC o el Tevatrón, en donde se busca conseguir la energía máxima para producir eventos subátomicos de alta energía con la esperanza de medirlos y comprender mejor cómo funciona el mundo de lo “muy pequeño”.

Y LO QUE VIENE…

El futuro inmediato de los aceleradores de partículas es muy prometedor y sus aplicaciones pueden llegar a ser aún más importantes y extensas. En el bando de la investigación, hasta ahora, se han estado utilizando sincrotrones. Sin embargo el futuro inmediato en la investigación del bosón de Higgs pasa por el acelerador lineal ILC(del inglés Colisionador Linear Internacional) de 80 km de largo y CLIC (una versión lineal más compacta). Para no quedarse atrás también se habla de ampliar el LHC que pasaría de sus 27 km de circunferencia a 100 km y pasaría a llamarse FCC (Futuro Colisionador Circular). Éste alcanzaría una energía de 100 TeV, 10000000 de veces más energético que los aceleradores que se usan en los hospitales.
Y más allá sólo queda lo que se pueda imaginar de más…

10 Respuestas a “Acelera un poco más

  1. Muy bueno Carlos. Enhorabuena. Los dibujos son la pera (supongo que serán en parte el fruto de alguna sustancia adictiva que consumas con mayor o menor frecuencia) e ilustran bien el contenido del post… ¡salvo el betatrón! ¿por que lleva el pobre betatrón esa batamanta de faralaes verde?… será la torpeza de la edad, pero creo que vas a tener que explicarme que pretendías representar con semejante vestimenta. Fuera bromas, me ha gustado el post. Divertido sin renunciar al rigor en el contenido.

    • Gracias Manuel tambien por tu ayuda y tu comentarios, en cuanto a lo del betatron… yo tampoco lo tengo claro jaja

      • jajaja, ¡es lo que tienen los verdaderos artistas! sus creaciones les superan!

  2. La verdad es que he leído con mucho agrado este post. De hecho he encontrado alguna información que desconocía y que, con el permiso del autor, utilizaré cuando me toque otra vez hablarles a mis estudiantes de aceleradores de partículas.

    Sólo me gustaría puntualizar dos cuestiones. La primera (que es un tanto técnica) es que la característica relevante de esas nuevas piezas constituyentes de la materia que van “apareciendo” es que cada vez son más pequeñas. Por eso, la razón última de aumentar la energía de las partículas en los aceleradores es reducir su “longitud de onda característica” hasta un valor tal que sea comparable con el tamaño del objeto que se pretende estudiar y, tal como nos indica la Mecánica Cuántica, podamos “ver” esas nuevas piezas.

    La segunda (para completar la información que nos ha dado Carlos) es que para estudiar la “composición interna” de los sistemas microscópicos no siempre es necesario “hacerlos añicos”. Por ejemplo, uno de los primeros experimentos en los que se observó la estructura interna de los protones (compuestos de 3 quarks) fue en experimentos “de dispersión profundamente inelástica de electrones” en los que se enviaron electrones de muy alta energía contra un blanco. Debido a su alta energía permitieron “visualizar” tamaños inferiores al del protón y los resultados del experimento sólo pudieron explicarse si se asumía que la de carga del protón estaba concentrada en tres “centros” en lugar de ser una distribución continua con el tamaño correspondiente.

  3. Pingback: Partículas | Annotary·

  4. Carlos, la entrada es estupenda y me declaro fan absoluta de tus dibujos. ¿Dibujas para alguna publicación o algún blog (a parte del nuestro)?
    Ya tengo ganas de ver tus próximos dibujos y de leerte, que ha sido un placer.
    Un beso,
    Laura

  5. Carlos..Sencillamente extraordinario artículo…Le hice llegar a través de la sección del blog: Pregunta lo que Quieras, una solicitud. Esperaré su respuesta….y de nuevo Felicitaciones!!
    Un abrazo desde Venezuela.

    • Gracias Edgar, suerte con tu proyecto también. En cuanto a la propuesta adelante, sin ningún problema.

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