Aceleradores y detectores de partículas: tecnología y conocimiento al límite

Texto: Efrén Diaz Millán

Asesoría: Alberto Sánchez Hernández, Eduard de la Cruz Burelo y Ricardo López Fernández, Departamento de Física 

En 1950 se realizó la primera transmisión de televisión en México y Latinoamérica, el pequeño dispositivo que hacía posible ver imágenes en movimiento acaparó la atención de la sociedad y se apoderó del centro de los hogares durante la segunda mitad del siglo XX; la tecnología detrás de este aparato fue el cinescopio, integrado por un tubo de rayos catódicos capaz de mover electrones a gran velocidad y hacerlos chocar contra la pantalla, en esencia era un acelerador de electrones, una de las partículas subatómicas más conocidas.

Generalmente se tiene la idea de que los aceleradores de partículas subatómicas usados para la investigación científica y los desarrollos tecnológicos generados a partir de ellos se encuentran distantes de la vida cotidiana; sin embargo, durante muchos años han estado presentes en el centro de los hogares de la sociedad, ya sea en televisiones, pantallas de las primeras computadoras, instrumentos médicos para diagnóstico y tratamiento de enfermedades oncológicas. 

Los aceleradores de partículas dedicados a la investigación científica son instrumentos que combinan múltiples conocimientos, tecnologías y recursos humanos para estudiar la estructura de la materia; toman partículas subatómicas (protones, antiprotones, positrones, electrones o iones), las aceleran a velocidades cercanas a la luz (299,792,458 kilómetros por segundo) y las hacen chocar entre sí o contra otros objetos para analizar lo resultante de la colisión.

Las aplicaciones tecnológicas derivadas de estos instrumentos, dependiendo de la velocidad de aceleración de las partículas, es posible emplearlas en dispositivos o procesos útiles en la vida cotidiana, entre las cuales se encuentran, los usos médicos, estudios biológicos, procesamiento de datos, análisis de riesgos, seguridad y servicios financieros.

La aplicación que ha resultado ser de mayor impacto social es la de tratamiento médico, porque para ciertos problemas oncológicos es posible usar electrones o hadrones en la eliminación de tumores y en algunos casos es la única opción. A pesar de que es un procedimiento usado cada vez con mayor frecuencia, los equipos todavía son costosos y su demanda supera a la disponibilidad, los más comunes son los aceleradores de electrones.

Desde hace algunos años los aceleradores de hadrones (protones o carbón) han demostrado ser una herramienta todavía más conveniente para tratamiento oncológico, ya que se puede calcular con precisión el volumen donde ocurre la deposición máxima de energía; es decir, se puede atacar directamente al tumor sin dañar tejido sano. Desgraciadamente, los aceleradores de hadrones para tratamiento médico son instalaciones que requieren de inversiones fuertes y, por el momento, solo están disponibles en algunos países.

En la sociedad del conocimiento por la que transita la humanidad, el procesamiento de datos aplicables a la toma de decisiones y los sistemas de cómputo diseñado para la construcción y operación de los grandes aceleradores de partículas, también permiten la recuperación, conservación, almacenaje y análisis de cantidades enormes de información generada en las distintas actividades sociales, económicas o educativas, ente otras.

La creación de diversas técnicas de supercómputo y los estudios de big data, surgidos en el campo de la física de altas energías con sus aceleradores y detectores, han implicado el desarrollo de máquinas de aprendizaje y de redes neuronales que utilizan el reconocimiento de patrones para identificar características específicas en los fenómenos naturales relacionados con el estudio de la materia.

Actividades poco conocidas que usan las aplicaciones derivadas de los aceleradores de partículas son la automotriz, donde se emplean sus principios para observar y evaluar las superficies en la realización de cortes precisos en metales; la esterilización de alimentos mediante su irradiación con electrones; o en la creación de nuevos colores para la producción de pinturas más atractivas.

También han empezado a usarse para la realización de un tipo de “tomografía” para observar el interior de los volcanes; radiografiar las pirámides; diseñar nuevos materiales; en las estrategias de seguridad nacional al escanear el interior de camiones y contenedores; o hasta para autenticar valiosas obras de arte.

Origen de los aceleradores

El primer acelerador fue inventado por el inglés William Crookes en 1875, consistía en dos placas metálicas separadas dentro de un tubo de vacío a las cuales se les aplicaba un voltaje muy alto que generaba una radiación llamada “de rayos catódicos”.  Los aceleradores se clasifican por el tipo de partícula que usan, pueden ser electrones, protones (hadrones) o iones (núcleos), otra clasificación depende de su propósito y puede ser colisionador o fuente de luz; los hay circulares o lineales y tienen diferentes tamaños. 

Los aceleradores llamados "Fuentes de Luz" se conocen también como sincrotrones y, a diferencia de los colisionadores, usan un proceso físico llamado emisión de radiación sincrotrón, que ocurre cuando una partícula cargada eléctricamente es acelerada y puede producir luz en casi todo el espectro electromagnético, su empleo tiene diversas aplicaciones médicas, biológicas o de materiales; también son usados como un microscopio para observar lo más pequeño de la materia, con un tamaño ubicado en el orden de los nanómetros o del tamaño de un electrón.

Actualmente, los aceleradores de partículas más importantes en operación son el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en la frontera de Francia y Suiza, con un anillo de 27 kilómetros, ubicado a 100 metros bajo tierra, cuenta con los detectores CMS, ATLAS, ALICE y LHCb; o el SuperKEKB, de Japón, con una circunferencia de tres kilómetros, su detector emblemático es el Belle II. 

En el caso de los sincrotrones, la mayoría de los países de economías emergentes como Brasil, España, Suiza e India cuentan con esta tecnología que les permite fortalecer su desarrollo científico y tecnológico; México, a pesar de ser considerado parte de este grupo, aún no cuenta con ese instrumento.

Desde la década de los 90 del siglo pasado, un grupo de investigadores y estudiantes mexicanos, particularmente del Cinvestav, han colaborado en diversos experimentos de Fermilab, el LHC y más recientemente el SuperKEKB, donde han desarrollado tecnología o aplicaciones para los detectores CMS, ALICE y Belle II, que ha permitido al país un contacto permanente con estos experimentos científicos de frontera. Además, investigadores del centro son usuarios de los sincrotrones para realizar distintos estudios en el área biológica, entre los que destacan análisis para entender mejor el SARS-CoV-2.

La construcción y operación de estos instrumentos implica llevar el conocimiento y la tecnología al límite, con un trabajo multidisciplinario. Su fase de edificación involucra el desarrollo de materiales superconductores para fabricar los electroimanes que desvían y dirigen las partículas para mantener su trayectoria circular; se diseñan sistemas de refrigeración que alcanzan temperaturas cercanas al cero absoluto, más frías que el universo exterior; se diseñan sistemas de ultra alto vacío que marcan la ruta de las partículas con el objetivo de evitar su interacción con otros elementos ambientales; y el desarrollo de software para manejar estos equipos, en una acción sincronizada, la cual requiere la creación de una electrónica muy sofisticada.

Estudiar las partículas resultantes de las colisiones implica el desarrollo de tecnologías para visualizar los fenómenos que ocurren ahí, van desde el diseño y construcción de detectores de silicio, de muones o de energía ultrarrápidos, en el orden de nanosegundos; la generación de nuevos materiales de alta sensibilidad que requieren la creación de sistemas de comunicación, software, hardware e instrumentos para el manejo, almacenamiento o análisis de millones de datos; los equipos electrónicos deben ser capaces de procesar hasta 50 millones de choques por segundo y seleccionar solo 100 de esos eventos. 

El conocimiento y experiencia generada en estos experimentos son la base del desarrollo tecnológico que se aplica a la vida cotidiana; primero responden a diversas preguntas sobre fenómenos de la naturaleza y después se convierten en herramientas médicas, de cómputo, financieras o de seguridad.