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Desde las primeras partículas subatómicas hasta las maravillas del cosmos, los aceleradores de partículas han desempeñado un papel fundamental en la exploración de los misterios del universo. Estas monumentales máquinas científicas no solo han revolucionado la física, sino que también han encontrado aplicaciones en diversas disciplinas, desde la medicina hasta la energía. En este artículo, veremos qué es un acelerador de partículas, cómo funcionan, su historia y su utilidad en diversas áreas, además de los diferentes tipos que existen.
El poder de la aceleración
En el corazón de la cuestión está la definición misma: ¿qué es un acelerador de partículas? En términos simples, es una máquina diseñada para acelerar partículas subatómicas, como electrones o protones, a velocidades cercanas a la luz. Para lograrlo, utilizan campos eléctricos y magnéticos en combinación con estructuras de aceleración. Una vez que las partículas alcanzan altas energías, los científicos pueden estudiar sus propiedades y comportamientos en colisiones controladas. Estas colisiones pueden dar lugar a nuevas partículas o a fenómenos inesperados.
Choque de protones.
Los orígenes de los aceleradores de partículas
La historia de los aceleradores de partículas se remonta al siglo XIX, cuando científicos como J.J. Thomson comenzaron a investigar partículas subatómicas. Sin embargo, fue en 1929 que Ernest O. Lawrence construyó el primer ciclotrón en la Universidad de California, marcando el comienzo de la era moderna de los aceleradores. A lo largo de los años, estas máquinas se volvieron más grandes y poderosas, y se crearon instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en el CERN. Con su capacidad para alcanzar energías inimaginables, los aceleradores de partículas han revolucionado la física de partículas y la cosmología.
Ciclotrón para la síntesis de radionúclidos y la producción de isótopos en un laboratorio de oncología en un hospital, Sofía, Bulgaria.
Múltiples aplicaciones
La utilidad de los aceleradores de partículas va mucho más allá de la física de partículas. Investigación forense, arte, control de calidad, etc., las aplicaciones son prácticamente ilimitadas. Estas máquinas son cruciales en muchas disciplinas, incluida la medicina. En radioterapia, se utilizan haces de partículas aceleradas para tratar tumores de manera más precisa, minimizando el daño a los tejidos circundantes. Además, los aceleradores se utilizan para crear isótopos radiactivos utilizados en diagnóstico y en investigación médica.
En el campo de la energía, los aceleradores de partículas también juegan un papel importante. La fusión nuclear, una fuente potencial de energía limpia e inagotable, se investiga utilizando aceleradores. La replicación de las condiciones dentro de las estrellas en la Tierra requiere alcanzar temperaturas y densidades extremas, lo que se logra mediante la colisión de partículas altamente energéticas.
Tratamiento oncológico en una clínica privada médica moderna u hospital con un acelerador lineal.
Los diferentes tipos de aceleradores
Los aceleradores de partículas se han diversificado en una variedad de tipos, cada uno diseñado para cumplir propósitos específicos y llevar a cabo investigaciones particulares en el campo de la física de partículas y otras disciplinas. Los más comunes entre ellos incluyen los ciclotrones y los sincrotrones. Los ciclotrones, como el pionero desarrollado por Ernest O. Lawrence, son dispositivos que aceleran partículas cargadas, como protones o electrones, en una trayectoria en forma de espiral. Esto se logra al aplicar campos eléctricos oscilantes en un campo magnético. Los ciclotrones son valiosos para generar haces de partículas de alta energía utilizados en investigación y en aplicaciones médicas.
Por otro lado, los sincrotrones son anillos magnéticos de gran tamaño que también se utilizan para acelerar partículas cargadas. La característica distintiva de los sincrotrones es que mantienen las partículas en órbita alrededor del anillo mediante campos magnéticos, mientras un campo eléctrico aplicado en la misma dirección aumenta gradualmente su energía con cada vuelta. Los sincrotrones son esenciales para la creación de haces de partículas altamente energéticos, utilizados en experimentos de física de partículas y en investigaciones en diversas disciplinas, incluida la biología estructural y la ciencia de materiales.
Además de estos tipos comunes, existen los aceleradores lineales, que aceleran partículas en línea recta, sin la necesidad de que las partículas sigan una trayectoria circular. Los aceleradores lineales son especialmente útiles para generar haces de electrones de alta energía utilizados en la terapia de radiación en medicina y en experimentos en física de partículas.
Como vemos, la diversidad de aceleradores de partículas disponibles se adapta a una amplia gama de necesidades científicas y aplicaciones prácticas. Cada tipo de acelerador posee sus propias ventajas y se utiliza en diversas disciplinas, lo que refleja la versatilidad y el impacto significativo de esta tecnología en la investigación científica y en la sociedad en general.
Estructura interna del CERN, Ginebra.
Aceleradores en España
En España tenemos un sincrotrón único llamado ALBA, situado en Cerdanyola del Vallès, Barcelona. Este complejo de aceleradores de electrones genera luz de sincrotrón, que permite el análisis a nivel atómico y molecular de la materia. Su alcance es impresionante, abarcando campos que van desde la física y la química hasta las ciencias de la vida, el medio ambiente y la conservación del patrimonio histórico.
También cuenta España con el CNA (Centro Nacional de Aceleradores), que se encuentra en Sevilla y desempeña un papel crucial en la investigación en aceleradores de partículas en el país. Establecido en 1997, el CNA es el resultado de la colaboración entre la Universidad de Sevilla, la Junta de Andalucía a través de la Consejería de Economía Innovación y Ciencia, y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas de España (CSIC). Sus instalaciones se ubican en el Parque Científico y Tecnológico Cartuja 93, en la calle Thomas Alva Edison.
Sincrotrón ALBA.
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