Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Un acelerador de partículas del tamaño de una lenteja

Este título podría ser la traducción libre vulgar del sesudo trabajo de investigación publicado la semana pasada por un equipo de 15 investigadores liderado por el profesor D. L. Byer, de la Universidad de Stanford, en la revista Nature. Su título real `Demonstration of electron acceleration in a laser-driven dielectric microstructure´, algo así como `Demostración de la aceleración de electrones impulsada por láser en una microestructura dieléctrica´.

Un acelerador de partículas del tamaño de una lenteja
ACELERADORES
 
Un acelerador de partículas es definido en Wikipedia como “Un dispositivo que utiliza campos electromagnéticos para acelerar partículas cargadas hasta altas velocidades, y así, colisionarlas con otras partículas. De esta manera, se generan multitud de nuevas partículas que -generalmente- son muy inestables y duran menos de un segundo, o bien, permite estudiar más a fondo las partículas que fueron colisionadas por medio de las que fueron generadas”.
 
El primer acelerador de partículas fue desarrollado por Ernest Orlando Lawrence en 1929 en la Universidad de California. En los aceleradores de partículas más antiguos se usaba un Generador de Cockcroft-Walton para la multiplicación del voltaje. Este instrumento ayudó al desarrollo de la bomba atómica. El construido en 1937 por Philips de Eindhoven, se encuentra actualmente en el museo de ciencias naturales de Londres (Inglaterra).
 
Lo que todos nosotros conocemos es la existencia de grandes aceleradores como el SLAC de Stanford, de 3 km de longitud, o el LHC de Ginebra, con cerca de 30 kms de recorrido, de gran protagonismo reciente por su búsqueda del bosón de Higgs. Para 2015-2020 se espera que se construya el ILC o Colisionador lineal internacional, un enorme acelerador lineal de más de 40 km de longitud, inicialmente de 500 GeV ampliables a 1 TeV, que utilizará un láser enfocado en un fotocátodo para la generación de electrones. 
 
Pero junto a ellos existen otros aceleradores menores, con fines específicos. En realidad, de las decenas de miles de aceleradores de partículas que existen en el mundo sólo una mínima cantidad, menos del 1%, se dedica a estudios de física de partículas. La mayoría posee otros usos, fundamentalmente biomédico e industrial. Pero, en todo caso son instrumentos muy grandes y muy caros. 
 
APLICACIONES
 
He aquí algunas de esas aplicaciones actuales de los aceleradores de partículas. Medicina: radioterapias, obtención de isótopos radiactivos de vida media muy corta para su uso en técnicas de imagen como la tomografía PET y otras; Electrónica: en semiconductores, aceleradores de tipo Van de Graaf para estudio de defectos y densidades de dopantes; Química: posibilitan detectar concentraciones mínimas de sustancias de hasta 1 parte por millón, con aplicaciones van desde el estudio de contaminación química muestras del medio ambiente hasta el estudio de pigmentos y contaminantes en objetos de arte y restos arqueológicos; datación de isótopos, aplicables en Arqueología, Paleontología, Geología, Astrofísica o Cosmología; Industria con múltiples aplicaciones desde el procesado de materiales por radiación, a la realización de microporos en membranas o el estudio de deshomogeneidades en láminas finas.
 
Ahora, comentaremos brevemente con algo más de detalle algunas de las principales aplicaciones biomédicas. De una aplicación específica realizada con el acelerador del Laboratorio Nacional de Luz de Sincrotrón de Argonne, en Estados Unidos, para aclarar las causas de la muerte de Beethoven, nos ocuparemos en una próxima ocasión. Por ejemplo, con aceleradores tipo ciclotrones se producen más del 20% de los fármacos radiactivos que se inyectan a los pacientes. Los ciclotrones aceleran protones, con energías de hasta 40 MeV. La tomografía por emisión de positrones (PET) usa isótopos radiactivos que emiten positrones que son detectados cuando se aniquilan con electrones del medio emitiendo dos fotones que vuelan en direcciones opuestas se visualizan con sistemas especiales. Los isótopos se incorporan en biomoléculas que van a los sitios de interés del cuerpo, por ejemplo un tumor. Una vez allí  los isótopos radiactivos decaen emitiendo los positrones que producirán la luz que revela una imagen tridimensional del lugar. Como los isótopos tienen un tiempo de vida corto, del orden de minutos, su lugar de producción suele situarse en las inmediaciones del sitio de su utilización. En cuanto a la radioterapia clásica con agujas de radio o cobaltoterapia se sustituye por aceleradores de electrones en el rango de 15 a 20 MeV que producen rayos X, que a su vez se dirigen a los tumores. En cuanto a los aún pocos sincrotrones de protones existentes, con energías de 200 MeV, pueden alcanzar cualquier órgano interno del cuerpo humano. Otra posibilidad biomédica es que los aceleradores puedan proporcionarnos escalpelos láser de haces de electrones libres para cirugía, con precisión de una fracción de milímetro, facilitando las operaciones de eliminación de tejidos dañados que necesiten una alta precisión.
 
También los aceleradores de partículas pueden ayudar al medio ambiente. En el laboratorio norteamericano de Los
Álamos, el Acelerador de Transmutación de Residuos (en inglés ATW) se ha usado para dividir los residuos nucleares de larga duración y transformarlos en material inocuo y, en otro orden de cosas el el Rubbiatron, un Amplificador de Energía,  inventado por el premio Nobel Carlo Rubbia, que trabaja en el CERN bombardea su objetivo (consistente en combustible nuclear) con un haz de protones de alta intensidad, provocando fisión nuclear (sin posibilidad de reacción en cadena) y la liberación de energía.
 
ROBERT BYER
 
Este gran físico americano, profesor de la Universidad de Stanford, ha sido distinguido por sus compañeros para ocupar puestos académicos importantes como la presidencia de la Sociedad Óptica Americana o la vicepresidencia de la Sociedad de Física Americana. Es uno de mayores expertos mundiales en láseres.
 
El último logro de su equipo de investigación puede revolucionar el mundo de las fascinantes aplicaciones de los aceleradores de partículas: usando un láser como propulsor ha conseguido acelerar electrones, a velocidades diez veces superiores a las obtenidas con las tecnologías convencionales, en un chip de vidrio nanoestructurado.  Es decir, unos 300 millones de electrón-voltios por metro, lo que es aproximadamente diez veces la aceleración proporcionada por el actual acelerador lineal SLAC. En los experimentos los electrones se aceleran primero a cerca de la velocidad de la luz en un acelerador convencional y se dirigieron a un pequeño canal de media micra de un chip de vidrio de cuarzo de solo medio milímetro de longitud. Allí, la luz de láser infrarrojo interaccionó con los electrones del canal para aumentar su energía. Y todo ello con un tamaño similar al de un grano de arroz o una lenteja. 
 
Como es lógico esto es solo un primer paso hacia la conversión del acelerador en un chip hasta un verdadero acelerador de sobremesa operativo. Pero ya está dado y varios prestigiosos grupos de investigación han comenzado a abordar los siguientes pasos que, de tener éxito, permitirían la realización cómoda y económica de aplicaciones biomédicas, industriales y científicas que por ahora está muy limitadas por la complejidad y tamaño de los aceleradores. 
 
Saber más:
http://www.nature.com/nature/journal/vnfv/ncurrent/full/nature12664.html