Todo ese pasillo era una oda a la ciencia. El astrolabio de Arsenius, las calculadoras de Pascal, el gasómetro de Lavoisier, el experimento de Foucault para medir la velocidad de la luz… Todos eran objetos excepcionales. Pero de todas esas joyas mis ojos quedaron atrapados por un objeto en concreto: el ciclotrón. No cualquier ciclotrón, no: el primer ciclotrón europeo.

Veréis, de todos los aceleradores de partículas que existen el ciclotrón es, probablemente, el más revolucionario. Fue el que verdaderamente cambió las reglas del juego e hizo que se pudieran explorar regiones del átomo hasta entonces prohibidas. Su diseño surgió en 1929, cuando el físico Ernest Lawrence (con 28 años por entonces) se encontraba leyendo una revista alemana con los dibujos del acelerador lineal de Rolf Wilderoe. El problema en esa época era que los aceleradores requerían voltajes muy altos, difíciles de conseguir. Sin embargo, Lawrence tuvo una gran idea: ¿y si en vez de hacer aceleradores lineales los hacemos circulares? Habría mucho más tiempo y espacio para acelerarlas. Para eso era necesario doblar las partículas mientras se movían, pero él dio con una solución muy elegante: la combinación de un campo eléctrico alterno y un campo magnético continuo. Tras construir varios prototipos con su estudiante M. Stanley Livingston, en 1932 patentó el invento que además le daría el premio Nobel.

Patente original del ciclotrón de Lawrence (1932).

La gran ventaja del ciclotrón es que en un espacio bastante reducido se podían alcanzar energías realmente altas usando repeticiones del mismo campo eléctrico. El primer modelo, que tenía sólo 10 cm (4 pulgadas) de diámetro, se hizo de latón con un coste que no superaba los ¡25 dólares! En su versión de 28 cm (11 pulgadas) el ciclotrón ya conseguía acelerar protones a 1.22 MeV con tan solo 3000 V.

Pero el ciclotrón era un invento norteamericano. En Europa el laboratorio más avanzado, el Cavendish de Rutherford, había apostado por un diseño de acelerador lineal que, aunque había ganado la primera batalla (consiguieron hacer la primera reacción nuclear artificial adelantando a Lawrence por sólo unos días), no ganaría la guerra. Eran momentos de gran excitación científica, donde la radiactividad había abierto todo un mundo de posibilidades. Los descubrimientos se sucedían a una velocidad frenética y si se quería seguir el ritmo tener el ciclotrón en Europa era imprencindible. Después del Cavendish el otro gran laboratorio europeo era el de los Curie, en París.

Ciclotrón original de Joliot-Curie en el Collège de París.

Frédéric Joliot-Curie (1900-1958)

El trabajo de conseguir el ciclotrón para Europa recayó en el físico Frédéric Joliot-Curie, que había aprendido bien que llegar a tiempo es una victoria. Una vez, a un estudiante suyo le dijo:

Con el neutrón llegamos demasiado tarde. Con el positrón llegamos demasiado tarde. Ahora llegamos a tiempo.

Y tenía razón. Un año después su mujer Irène y él conseguirían el premio Nobel de Química por producir radiactividad artificialmente bombardeando elementos estables. El ciclotrón era su oportunidad para seguir estudiando el núcleo.

Pues bien, ése era el mismo ciclotrón que estaba delante de mí en el Musée des arts et métiers. La cámara, de 117 cm de diámetro, tenía dentro las dos secciones en forma de «D» características entre las que las partículas van saltando. También se distinguía perfectamente la pieza de cobre por donde se introduce el gas. Faltaba, eso sí, el imán de 25 toneladas que garantizaba un campo magnético uniforme, pero un gran panel recordaba su forma y color original.

En realidad, a Joliot-Curie le costó bastante conseguir poner en marcha esta máquina y parece que hasta 1939 no estuvo realmente operativa. Los ingenieros tuvieron que resolver varios problemas para controlar el sistema de radiofrecuencia y Lawrence envió uno de sus colaboradores a París para ayudar en las tareas. En funcionamiento este potente sistema podía producir deuterio a energías de 7 MeV. Suficiente para estudiar la materia. Suficiente, incluso, para merecerse un cómic.

Cómic francés con la imagen del ciclotrón de Joliot-Curie. Desgraciadamente no he podido encontrar la referencia del original. (Fuente: CNRS)

Lamentablemente 1939 no fue un gran año para Europa como bien sabéis, y la ocupación nazi de París hizo que el ciclotrón no pudiera continuar su actividad normal (de hecho, Frédéric se unió al movimiento de la Résistance). Cuando las cosas volvieron a la normalidad el diseño del ciclotrón se modificó y se instaló en el nuevo laboratorio de física nuclear de Orsay en 1958. Se desmanteló una década después, pero parte de su legado sigue vivo.

Haz de partículas del ciclotrón de Joliot-Curie extraído al aire. (Fuente: CNRS)

En la actualidad, el campus de Orsay sigue siendo uno de los centros franceses con más aceleradores por metro cuadrado, y ciclotrones mucho más modernos producen a diario haces de iones de alta energía. Ya no son 7 MeV, eso es cierto. Ahora los iones llegan con 230 MeV… y se usan para curar el cáncer.

@DayInLab

Referencias:

[1] Les Cyclotronistes du Collège (CNRS). Documental en francés sobre los ciclotronistas del Collège que trabajaron con Frédéric. No sólo contiene testimonios de los protagonistas, sino también valiosas imágenes y vídeos de su funcionamiento. Está en: https://images.cnrs.fr/video/1781

[2] The rise of French particle physics. Artículo del CERN sobre la evolución de Francia en el uso de la tecnología nuclear.

[3] Conditions d’utilisation du cyclotron installé au Collège de France, P. Savel, J. Phys. Radium, 6 (5), 121 (1945). DOI: 10.1051/jphysrad:0194500605012100

[4] Ficha técnica del Musée des arts et metiers.

[5] Relative biological effectiveness of proton beams in radiotherapy, V. Calugaru, PhD thesis (2011).