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Desentrañar los misterios acerca de la naturaleza más fundamental, primitiva y elemental del Universo ha sido, es y será una de las mayores ambiciones de la historia de la ciencia. Y es que la Física está en búsqueda de dar respuesta a una de las mayores preguntas de todos los tiempos: ¿de qué está hecha la realidad?
Sabemos perfectamente que el nivel atómico no es el nivel más bajo de organización de la materia. Sabemos que hay algo más allá del átomo. El problema es que no sabemos el qué, pues los componentes de este nivel inferior son tan increíblemente pequeños que la luz no interactúa con ellos y, por lo tanto, no podemos “verlos” directamente.
Las supuestas partículas subatómicas (al fin y al cabo, el modelo de la física de partículas sigue siendo una teoría) serían entidades indivisibles que, yendo por libre o juntándose entre ellas para constituir a los átomos, explicarían la naturaleza más elemental del Universo desde una perspectiva cuántica.
Y en este contexto, nuestra única forma de adentrarnos en este mundo cuántico que no sigue nuestras leyes físicas son los conocidos como aceleradores de partículas, las más increíbles máquinas construidas por el ser humano que, en esencia, nos permiten adentrarnos en el mundo subatómico y entender cuál es el origen de la realidad, además de tener interesantes aplicaciones en el mundo de la Medicina. Y en el artículo de hoy, además de entender qué son, veremos cómo se clasifican. Vamos allá.
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¿Qué son los aceleradores de partículas?
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 colisionen 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?
Hay particularidades que dependen del tipo de acelerador y que comentaremos en profundidad más adelante, pero sí que hay unos conceptos generales. 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, colisionen 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.
- Para saber más: “¿Qué es un acelerador de partículas?”
¿Cómo se clasifican los aceleradores de partículas?
Como se puede intuir, entender la naturaleza y funcionamiento exacto de los aceleradores de partículas está al alcance de unas muy pocas mentes privilegiadas. Aun así, intentaremos presentar los distintos tipos de aceleradores de partículas ofreciendo sus más importantes características, propiedades y usos. Tal y como hemos introducido antes, existen tres tipos principales de aceleradores de partículas: sincrotrones, ciclotrones y lineales. Veamos sus particularidades.
1. Sincrotrón
Si hay un acelerador de partículas conocido por todos ese es el Gran Colisionador de Hadrones, también conocido como LHC, el cual es el colisionador de partículas más grande y está situado cerca de Ginebra. Pues bien, el LHC es un sincrotrón. Quedémonos con esto.
Pero, ¿qué son los sincrotrones? Los sincrotrones son un tipo de aceleradores de partículas de muy alta energía. De hecho, de los tres, este es el tipo en el que se alcanzan unas energías más elevadas. Los sincrotrones, al igual que los ciclotrones, tienen una conformación circular. Es decir, las partículas son conducidas a través de un circuito con forma de anillo y, por lo tanto, el recorrido es cerrado (el Gran Colisionador de Hadrones tiene una circunferencia de 27 km). Son diseñados para analizar los “bloques” que componen la realidad.
Aunque algunas variedades de sincrotrones pueden incluir secciones lineales entre las curvas del anillo, basta con entender que son dispositivos circulares. En cuanto las partículas entran en el acelerador (a través de una estructura vinculada), estas empiezan a ser aceleradas dentro del circuito con forma de anillo, dando vueltas una y otra vez.
Los imanes (el Gran Colisionador de Hadrones cuenta con 9.300 imanes) empiezan a acelerar “lentamente” las partículas subatómicas. Las conocidas como cavidades de radiofrecuencia son regiones dentro del acelerador que van acelerando (valga la redundancia) las partículas por intervalos.
Las partículas necesitan aproximadamente unos 20 minutos para alcanzar la energía necesaria (la velocidad 99,9999991% la de la luz), un tiempo durante el que pueden completar cerca de 14 millones de vueltas al anillo. Cuando las partículas lanzadas en direcciones opuestas alcanzan el nivel energético adecuado, los imanes reconducen los haces para que los recorridos de ambos grupos de partículas coincidan. En ese momento, se produce la colisión.
El Gran Colisionador de Hadrones del CERN consigue unas 400 millones de colisiones por segundo, lo que hace a estos sincrotrones los aceleradores de partículas más útiles para entender la naturaleza más fundamental y elemental del Universo. El LHC hace colisionar hadrones (un tipo de partículas subatómicas compuestas), pero los sincrotrones pueden hacer colisionar cualquier tipo de partícula, desde protones hasta núcleos de átomos radiactivos. Los sincrotrones son los aceleradores de partículas circulares más energéticos del mundo y, por lo tanto, los dispositivos más asombrosos creados por la humanidad. No tienen aplicaciones médicas, pero sí físicas, pues nos muestran los bloques elementales de la realidad.
2. Ciclotrón
Los ciclotrones son los padres de los sincrotrones. Del mismo modo que los que hemos visto antes, los ciclotrones son aceleradores de partículas de conformación circular. Es decir, las partículas subatómicas viajan por el interior de un circuito con forma de círculo. Pero, ¿qué es lo que lo diferencia de un sincrotrón? Varias cosas. Vayamos paso a paso.
En primer lugar, la aceleración no se da por un circuito con forma de anillo, sino que sus entrañas consisten en una serie de espirales por las que las partículas, que empiezan a ser aceleradas en el núcleo de dicha espiral, viajan. No dan vueltas alrededor del circuito, sino por las espirales (por ello, es circular pero abierto, no cerrado como el sincrotrón). Y en cuanto llegan al final del recorrido, impactan contra una superficie de detección.
En segundo lugar, mientras que los sincrotrones pueden contener miles de imanes, un ciclotrón contiene solo uno. Esto hace que sean dispositivos muchísimo más pequeños. Aun así, los electrodos metálicos permiten acelerar las partículas hasta velocidades no tan altas como un sincrotrón pero sí suficientemente elevadas como para que del impacto final podamos obtener distintas partículas subatómicas elementales como los neutrones o los muones.
Basta con entender que los sincrotrones no se utilizan para hacer colisionar partículas entre ellas a velocidades cercanas a las de la luz para que se descompongan en los bloques más elementales del Universo, sino que sus aplicaciones están más destinadas al mundo de la Medicina, pues permiten obtener isótopos que tienen aplicaciones clínicas.
3. Acelerador lineal
Los aceleradores de partículas lineales, también conocidos como LINACS (Linear Particle Accelerator), son un tipo de aceleradores que, a diferencia de los dos anteriores, no tienen una conformación circular en forma de anillo o de espiral. Los aceleradores lineales, como su propio nombre indica, son dispositivos abiertos en el sentido que disponen de una conformación rectilínea.
Consisten en una sucesión de tubos con placas a los cuales, estando colocados en línea, se les aplica una corriente eléctrica de carga opuesta a la de las partículas contenidas en las placas en cuestión. Dependiendo de su finalidad, estos aceleradores lineales pueden ser más o menos largos.
Por ejemplo, el SLAC National Accelerator Laboratory, un laboratorio administrado por la Universidad de Stanford y situado en California, dispone de un acelerador lineal de más de 3 km de longitud. Pero los más comunes, aquellos destinados al ámbito médico son de un tamaño pequeño.
Sea como sea, los aceleradores lineales tienen la ventaja de que, mientras que en los circulares las partículas pierden energía en forma de radiación al tomar las curvas, las partículas mantienen mejor su energía. Dichas partículas empiezan con una baja energía en uno de los extremos, pero van siendo aceleradas gracias a la sucesión de imanes y campos electromagnéticos a través del tubo.
Al igual que los ciclotrones, los aceleradores lineales tienen aplicaciones médicas, por lo que, como vemos, el objetivo de desentrañar la naturaleza fundamental del Universo queda reservada para los sincrotrones. Estos aceleradores lineales, del mismo modo que los ciclotrones, permiten obtener isótopos con interés clínico, además de que los que aceleran electrones son una terapia oncológica muy prometedora, al poder hacer incidir haces de partículas energéticas de forma específica sobre células cancerosas. Sin duda, los aceleradores de partículas son dispositivos asombrosos.
