Reproduzco aquí el artículo del mismo título que escribí para la Real Sociedad Española de Física (Revista española de Física, 33(2), 6, 2019) y que ha sido publicado recientemente. Mi intención era hacer una breve guía para entender mejor la evolución, el valor y el alcance de estas poderosas máquinas en nuestra sociedad porque, más allá de los grandes colisionadores, existe una inmensidad de aplicaciones que suelen pasan desapercibidas para el público. Espero que os guste.

Introducción

De todas las herramientas que existen a disposición de los científicos para explorar el Universo pocas han resultado ser tan versátiles y poderosas como los aceleradores de partículas. Nuestra comprensión actual de la naturaleza y gran parte de la Física moderna sería inconcebible sin ellos. Sin embargo, a pesar de sus grandes éxitos, persiste en la sociedad un estereotipo erróneo sobre estas máquinas y un gran desconocimiento de su utilidad real, que se extiende mucho más allá del campo de las partículas elementales.

En el mundo existen más de 30.000 aceleradores en operación, y sólo unas pocas centenas se usan para investigar las fronteras de la Física [1]. ¿Dónde se encuentran los demás? ¿Qué se hace con ellos y para qué los necesitamos? ¿Cómo afectan a nuestras vidas y qué beneficios obtenemos al usarlos? En este artículo se pretende dar una visión más amplia del impacto de los aceleradores de partículas, no sólo en lo relativo al avance científico, sino en nuestra sociedad.

Historia y tipos de aceleradores

A principios del siglo XX, el laboratorio Cavendish de Cambridge se había convertido en uno de los centros más importantes de investigación con Ernest Rutherford (1871-1937) como su figura más destacada. Su famoso experimento de dispersión de partículas alfa (de 10 MeV) sobre un pan de oro había supuesto una revolución. Además de un enorme paso conceptual en el modelo atómico, este experimento también representaba un avance metodológico inspirador: ponía de manifiesto que era posible obtener información sobre la materia por medio de partículas energéticas. Hasta ese momento se había sacado provecho de la radiactividad para obtener esas partículas, pero ¿qué pasaría si se pudiesen generar partículas artificialmente, aumentar su energía e incluso cambiarla a placer? ¿Se podría romper finalmente el átomo?

Dos investigadores del Cavendish, John D. Cockcroft (1897-1967) y Ernest T.S. Walton (1903-1995), empezaron a trabajar en esa idea. Para conseguir energía hacía falta una enorme fuente de voltaje, así que desarrollaron un sistema de multiplicación de tensión, basado en una escalera de rectificadores (diodos) y condensadores. Con este sistema habían conseguido alcanzar los 700.000 voltios, aunque se sospechaba que esa tensión era demasiado baja para que las partículas pudieran atravesar la barrera energética (coulombiana) del núcleo. Al fin y al cabo, en el experimento de Rutherford se habían usado iones con millones de electronvoltios. Sin embargo, fue el propio Rutherford quien insistió en que realizaran los experimentos sin esperar a mejorar el sistema.

El 14 de abril de 1932 Cockcroft y Walton producían la primera reacción nuclear creada por el hombre al bombardear átomos de Li-7 con un haz de protones de más de 125 keV, generando dos partículas alfa (fruto de la desintegración del Be-8) [2]. El hecho de que las partículas subatómicas no se comportaran clásicamente colaboró para que la reacción nuclear pudiera darse a energías más bajas de las esperadas (keV), algo que ya había predicho George Gamov [3].

La carrera por el desarrollo de los aceleradores de partículas había empezado. De hecho, en los Estados Unidos de América Robert Van de Graaff (1901-1967) había logrado alcanzar el millón de voltios usando un método distinto al de Cockcroft-Walton: un sistema mecánico basado en un cinturón de transporte de carga y una esfera conductora de almacenamiento.

Tanto el acelerador de tipo Cockcroft-Walton como el Van de Graaff eran lineales y electrostáticos (Figura 1a), es decir, la tensión que aceleraba las partículas se mantenía constante durante su trayectoria. No obstante, una manera alternativa de acelerar las partículas era seguir su trayectoria rectilínea e impulsarlas sólo cuando pasaran por ciertos puntos del tubo de aceleración. Para lograrlo, es preciso tener campos alternos que puedan cambiar tan rápido como las propias partículas que avanzan, es decir, se requieren radiofrecuencias. Este sistema, conocido como linac (Figura 1b) y sugerido por el físico noruego Rolf Wideroe (1902-1996), no tenía la limitación de los campos electrostáticos. Ernest O. Lawrence (1901-1958) y su estudiante David Sloan lo pusieron en práctica en 1931 acelerando iones de mercurio a 1,26 MeV.

Ahora bien, el propio Lawrence y su estudiante Milton S. Livingston (1905-1986), habían dado con otro diseño novedoso y compacto, donde se conjugaba un campo eléctrico variable (en radiofrecuencias) y un campo magnético estático con una geometría circular [4]. Era el ciclotrón (Figura 1c), donde las partículas viajaban siguiendo una trayectoria espiral. En su versión de 11 pulgadas (28 cm) conseguirían producir protones a 1,22 MeV de energía, y con él lograrían fisionar el átomo sólo pocas semanas después de que lo hicieran Cockcroft y Walton.

Los avances continuaron, pero no fue hasta la década de 1950 cuando los aceleradores de partículas resurgirían a gran escala gracias al auge de los sincrotrones. En los sincrotrones (Figura 1d) las partículas giran en una órbita estacionaria circular y por tanto su máxima energía ya no está limitada a un número fijo ciclos, a diferencia de lo que ocurre en los ciclotrones. Esta idea, propuesta en 1943 por Marcus L.E. Oliphant (1901-2000), impulsó a varios equipos a trabajar simultáneamente en el desarrollo de sincrotrones con el objetivo de superar la barrera de los GeV. El primer sincrotrón de protones que se puso en marcha fue el Cosmotron de Brookhaven (1953), que lograba ya alcanzar 3,3 GeV de energía [3]. Pocos meses después Oliphant y sus estudiantes en la Universidad de Birmingham completarían también su diseño de 1 GeV y el equipo de Berkeley se sumaría a este club en 1954 con su Bevatron de 6 GeV.

La búsqueda por alcanzar cada vez energías más altas era imparable, y a finales de la década de 1950 se empezaría la construcción de los colisionadores, sincrotrones a gran escala donde se puede acelerar más de un tipo de partícula en el anillo. Con la proliferación de las grandes instalaciones de física nuclear como el CERN, Brookhaven, o Fermilab se crearía también uno de los prejuicios más habituales sobre estas máquinas y que conviene romper de antemano: los aceleradores de partículas no tienen por qué tener dimensiones kilométricas. Tanto los viejos televisores de tubo, que aceleraban electrones, como el anillo de 27 km del LHC comparten como aceleradores una misma característica: su capacidad para producir un haz direccional de partículas cargadas a gran velocidad [5]. Veremos a continuación que las energías requeridas para muchas aplicaciones son modestas, lo que hace que los aceleradores más extendidos no sean tan caros ni tan voluminosos como los grandes colisionadores.

Aplicaciones a la sociedad

Industria

La aplicación más extendida de los aceleradores se encuentra, con mucha diferencia, en los procesos industriales. Aproximadamente un 66% de todos los aceleradores del mundo están dedicados a este sector [3]. La Figura 2 resume sus principales usos, donde destaca por encima de todos el de la implantación iónica. Este proceso consiste en la modificación de un material por medio de la incorporación de especies atómicas ajenas a él, y su popularidad se debe a que es esencial en la producción de chips. La fabricación de un dispositivo electrónico requiere más de un centenar de pasos, muchos de los cuales involucran el dopaje con impurezas por implantación iónica. La principal ventaja de este método es que permite realizar ese dopaje con un elevado control de la concentración y de la profundidad, además de poder seleccionar la especie implantada. Puesto que la región activa de los dispositivos es muy superficial (menos de una micra de espesor) para este proceso bastan energías de pocos keV. Se calcula que hay más de 10.000 implantadores dedicados al dopaje de dispositivos electrónicos [6], aunque también se usan, en menor medida, para mejorar propiedades anticorrosivas o para endurecer herramientas y prótesis.

Los procesos con aceleradores de electrones están de igual manera bastante establecidos a nivel industrial y una de sus aplicaciones más demandada es el entrelazado de polímeros, que permite hacer cables, neumáticos, y plásticos mucho más duros y resistentes al calor, o incluso para moldearlos. El curado y el secado de tintas, recubrimientos y adhesivos mejora sustancialmente con la irradiación de electrones, que puede usarse también para el corte y la soldadura industrial. En este último aspecto, el preciso control de la energía (hasta algunos cientos de MeV por lo general) garantiza el soldado a la profundidad deseada, lo cual es una ventaja sobre otros métodos. En la industria alimenticia y médica se utiliza la irradiación con electrones para el importante proceso de esterilización.

Completando estas aplicaciones industriales cabe mencionar que los aceleradores se usan de forma rutinaria en el control de calidad en la industria aeronáutica y automovilística (detección de defectos o corrosión), en la construcción (análisis en tiempo real de cemento o acero), y en aduanas (evitar contrabando y garantizar la seguridad).

 

Medicina

Las aplicaciones médicas son, después de las industriales, las más numerosas en el campo de los aceleradores de partículas y aunque parezca sorprendente fueron unas de las más precoces. Ya en 1937 se instaló en la Escuela de Medicina de Harvard el primer acelerador electrostático de electrones (0.5-1.2 MeV) para un uso clínico y con capacidad para producir intensidades de rayos X de 40 R/min.

Hoy en día, hay unos 10.000 linacs de electrones y cerca de 600 ciclotrones para usos médicos en el mundo [3]. Los primeros se utilizan ampliamente para radioterapia, que sigue siendo el tratamiento más recetado para tumores y de cáncer después de la cirugía. Los segundos son imprescindibles para la producción de los radioisótopos empleados en las pruebas diagnósticas como PET o SPECT. A este numeroso grupo hay que sumar el discreto pero creciente conjunto de unidades de protonterapia basadas en ciclotrones o sincrotrones (hay más de 75 instaladas).

Aunque la terapia con protones se inició en Berkeley y Harvard en la década de 1950, el primer hospital construido para tal efecto tuvo que esperar hasta 1990. En la actualidad la terapia con protones ha ganado mucha atención debido a sus ventajas sobre la radioterapia convencional con rayos X, siendo su principal característica la de concentrar mucho mejor la dosis en la vecindad del tumor. La Figura 3a ilustra esto al comparar la dosis depositada por un haz de rayos X en agua con la de un haz de protones y un haz de C. Mientras que el máximo de la dosis para los fotones se encuentra a pocos centímetros de la superficie, para los protones y C se puede lograr la máxima dosis en profundidad, en lo que se conoce como pico de Bragg. Las ventajas de esto quedan claras en la Figura 3b, donde se muestra la comparación de la radioterapia con la protonterapia en el caso de un tumor cerebral. El hecho de que el pico de Bragg sea más estrecho en el caso de iones pesados como el C, ha incentivado la aplicación de esta terapia (hadronterapia). Aunque las instalaciones para iones de C son sensiblemente más caras y están todavía poco extendidas, se están realizando desarrollos prometedores en este campo y más de 20.000 pacientes ya han sido tratados con iones de C.

En España existen unas 220 unidades de radioterapia tradicionales (basadas en linacs de electrones) [7] y la primera unidad de tratamiento con protones está prevista para 2019. Se estima que sería necesario un equipo de protonterapia por cada 5 millones de habitantes, y que más del 15% de los pacientes que reciben un radiotratamiento deberían ser tratados con iones. Por tanto, es de esperar que el uso de los aceleradores en medicina siga expandiéndose, produciendo un gran beneficio para nuestra sociedad.

Investigación y otros usos

La Agencia Internacional de la Energía Atómica tiene registrados 211 aceleradores electrostáticos, 64 fuentes de luz sincrotrón, y 10 fuentes de espalación de neutrones (Figura 4). En España existen dos instalaciones con aceleradores electrostáticos de alto voltaje (el Centro Nacional de Aceleradores en Sevilla y el Centro de MicroAnálisis de Materiales en Madrid), una de luz sincrotrón (ALBA en Cerdañola del Vallés) y una sede de la fuente europea de espalación de neutrones (ESS Bilbao).

Las aplicaciones de este tipo de instalaciones son enormemente variadas y cubren disciplinas como la geología, la biología, la ciencia de materiales, el medio ambiente, las ciencias forenses e incluso el arte y la arqueología. Esta diversidad de usos proviene de la versatilidad de técnicas que pueden emplearse para la caracterización de muestras.

Un buen ejemplo de esto lo constituyen las técnicas de análisis con haces de iones que se emplean en los aceleradores electrostáticos en el rango de los MeV. La Figura 5 muestra las interacciones físicas que pueden tener lugar en un suceso de colisión de un ion con un átomo cualquiera. Estos procesos pueden ser elásticos, como en los fenómenos de dispersión de tipo Rutherford, o inelásticos, como en la emisión de rayos X o en las reacciones nucleares. La radiación emitida en estos contiene información sobre el tipo de elementos presentes en la muestra, su cantidad, y hasta de lugar en el que se encuentran, tanto lateralmente como en profundidad.

La aplicación concreta de estas técnicas en una muestra real, puede verse también en la Figura 5, donde se destaca el análisis de un transistor compuesto por zonas diferentes (denominadas A, B y C). En sustrato (zona A) se observa claramente la emisión de rayos X por parte del galio, mientras que en los contactos aleados (zona B) se encuentran rayos X emitidos por titanio, inexistente en la zona A. Por otro lado, los iones dispersados por el oro de la zona C también permiten saber que este elemento se encuentra mayoritariamente allí. Mediante la combinación de estas técnicas es posible hacer una reconstrucción completa de la estructura de este dispositivo, detectando fallos en la producción, inhomogeneidades e incluso impurezas [8].

La gran capacidad de penetración (varias micras en profundidad) de estas técnicas y su buena selectividad elemental, unidas a su carácter no destructivo en la mayor parte de los casos, las hace idóneas para muchas aplicaciones. El ejemplo más paradigmático de esto es su uso en la detección de falsificaciones y datación de obras de arte, un uso tan extendido que el propio museo del Louvre tiene un acelerador exclusivamente dedicado a ello (AGLAE) [5].

Al igual que con los haces de iones, las técnicas empleadas con radiación sincrotrón o con neutrones pueden proporcionar una información muy valiosa, no sólo desde el punto de vista composicional, sino desde el estructural o el químico. En particular, la radiación sincrotrón juega un papel clave en estudios biológicos y farmacológicos, gracias a su capacidad para descifrar la estructura del ADN o de proteínas complejas. Son también métodos excelentes para la caracterización de cristales, rasgo que comparten con las técnicas neutrónicas.

Conclusiones

Los aceleradores de partículas han supuesto una verdadera revolución para aumentar el conocimiento de la Física, pero su presencia e impacto en la actualidad va mucho más allá y representan una herramienta imprescindible en muchos procesos de nuestra sociedad. En este artículo hemos podido comprobar el enorme servicio que prestan, desde la industria y la medicina hasta el arte y la alimentación. Está claro que los aceleradores de partículas gozan de buena salud y es previsible que sigan jugando un papel muy importante en nuestras vidas en las próximas décadas. A buen seguro su uso, lejos de permanecer limitado a las aplicaciones modernas, se expandirá a nuevos y prometedores campos.

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Referencias

[1] S. Witman, Ten things you might not know about particle accelerators, Symmetry Magazine, Fermi National Accelerator Laboratory (21 de abril de 2014).

[2] J.D. Cockcroft and E.T.S. Walton, Experiments with high velocity positive ions II. The disintegration of elements by high velocity protons, Proc. Roy. Soc. A137, 229 (1932).

[3] A. Sessler, E. Wilson, Engines of discovery: a century of particle accelerators, World Scientific Publishing (2014).

[4] M.S. Livingston, J.P. Blewett, Particle accelerators, McGraw-Hill (1962).

[5] E. Malamud (ed.), Accelerators and beams: tools of discovery and innovation, American Physical Society (2013).

[6] R.W. Hamm, M.E. Hamm (eds.), Industrial accelerators and their applications, World Scientific (2012).

[7] A. Alonso, La radioterapia en España, El País (25 de marzo de 2013).

[8] Self-consistent depth profiling and imaging of GaN-based transistors using ion microbeams, Nucl. Instrum. Meth. B 384, 246 (2015).