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México y el Gran Colisionador de Hadrones (2018)

México y el Gran Colisionador de Hadrones (2018)

José Luis Carrillo Aguado*

 

Ciudad de México, México, 4 de abril de 2018, México Ambiental.- Durante octubre de 2007, el Dr. Gerardo Herrera Corral, entonces Team leader del proyecto ALICE (A Large Ion Collider, en inglés) del CERN (Centro de Investigaciones Nucleares, en francés) e investigador del Departamento de Física del Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav) del Instituto Politécnico Nacional (IPN), nos invitó a un grupo de periodistas de la revista Conversus del IPN y a mí a Ginebra, Suiza, para visitar los laboratorios del LHC (Large Hadron Collider, Gran Colisionador de Hadrones, en inglés).

 

Gerardo Herrera Corral es uno de los científicos más destacados a nivel internacional. Es doctor en Ciencias por la Universidad de Dortmund (Alemania) y ha realizado estancias posdoctorales en el Femi National Accelerator Laboratory, de Estados Unidos (EU), así como en el Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) en Río de Janeiro (Brasil). Ha sido investigador en el Deutsches Elektokronen Synchchroton (DESY), en Hamburgo (Alemania) y científico asociado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, en francés) en Ginebra (Suiza). Ha sido profesor titular del Departamento de Física del  Cinvestav ─ IPN Ha publicado alrededor de trescientos artículos en revistas internacionales especializadas en el  área de Física de Partículas Elementales, editado nueve libros y dirigido numerosas tesis de maestría y doctorado.

 

Entre los diversos reconocimientos que ha merecido su labor científica destacan la beca Fullbright Fellowship para realizar una estancia de investigación en el Fermilab, en Chicago III (EU) y la de la Fundación Alexander von Humboldt para llevar a cabo un proyecto de investigación en el experimento H1 del DESY  en Alemania; el Premio de la Investigación Científica de la Academia Mexicana de Ciencias, el Premio a la Investigación Científica de la Sociedad Mexicana de Física y la distinción Mente Quo Discovery Channel en la categoría Universo. Desde hace más de 18 años trabaja en la colaboración ALICE del Gran Colisionador de Hadrones en el CERN.

Dr. Gerardo Herrera Corral, investigador del Cinvestav-IPN y del CERN.

 

Aventura científica

El CERN, a decir del Dr. Gerardo Herrera Corral, es “la mayor aventura científica en la historia de la humanidad”, pues intenta dilucidar cuestiones tan intrincadas como el origen del universo;  dónde se encuentra el 96 % de la masa del universo; qué es la materia oscura; qué es la antimateria; qué es el rompimiento de la paridad o simetría, lo que hizo posible la existencia de este universo y por lo tanto de nosotros, los seres vivos; cuál es nuestro destino, y otras interrogantes para los cuales los físicos aún no tienen respuestas, así como aún otras que seguramente se irán planteando a medida que se vaya teniendo una idea más completa de nuestro universo.

 

En el CERN trabajan más de 7 mil científicos, provenientes de un sinnúmero de nacionalidades, entre los que cabe destacar el equipo mexicano dirigido por el Dr. Gerardo Herrera Corral, que asombrosamente trabajan entre sí y de manera pacífica colaboran en un proyecto conjunto, lo cual es algo inaudito para nuestro país. En entrevista exclusiva, el Dr. Gerardo Herrera Corral informó que en el CERN trabajan un grupo de investigadores nacionales de varias instituciones de investigación del país, lo cual es algo muy importante e inusitado.

 

Como un hito histórico, algunos científicos nacionales están colaborando, empezando con el detector de rayos cósmicos, así como el V-0, un disco de alrededor de un metro de diámetro construido con un material centellador que desintegra destellos fulgurantes que resultan de las colisiones protón-protón de entre simples centellos triviales. Este disco es el dispositivo más veloz de todo el proyecto y juega un papel muy importante al ser considerado baseline del experimento, esto es, sin su funcionamiento exitoso el experimento total resultaría imposible de llevar a cabo.

Gran Colisionador de Hadrones.

 

Detector de Rayos Cósmicos. Entrevista al Dr. Arturo Fernández Téllez

 

1) ¿Qué equipo de investigación dirige usted en el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC)?

Represento al grupo de la Benemérita Universidad de las América de Puebla (BUAP) que colabora con el grupo ALICE (A Large Ion Collider Experiment), formado por los doctores Irais Bautista Guzmán, Aurora Vargas Treviño, M. Iván Martínez Hernández, Mario Rodríguez Cahuantzi, Guillermo Tejeda Muñoz y Sergio Vergara Limón. Aurora y Sergio laboran en la Facultad de Ciencias de la Electrónica de la BUAP; el resto de los colaboradores trabajan en la Facultad de Ciencias Físico Matemáticas de la misma Universidad.  Además, asesoro y/o coordino los trabajos de estudiantes de licenciatura, maestría y doctorado que trabajan con nosotros. Actualmente, son tres estudiantes de doctorado, cuatro estudiantes de maestría y 6 estudiantes de licenciatura.

 

2) ¿Qué aportes recientes han hecho usted y su grupo al Gran Colisionador de Hadrones?

Nuestro grupo se ha concentrado en el estudio de eventos de rayos cósmicos detectados por ALICE, en la caverna p-2 del LHC. Este tipo de eventos contiene una cantidad “anómala” de partículas muónicas; hemos detectado eventos con más de 250 muones, lo cual resulta extremadamente raro y, hasta antes de que nosotros lo analizamos, se consideraba a este tipo de eventos, como una “anomalía del Modelo Estándar. Después de un estudio que llevó más de 4 años de análisis, concluimos que este tipo de eventos pueden considerarse como una fluctuación estadística de la distribución de multiplicidades de muones, contenida en cascadas de eventos de rayos cósmicos con energías mayores a 1014 eV. Este resultado fue la principal aportación de la tesis de doctorado del Dr. Mario Rodríguez. Además, nosotros hemos trabajado en el diseño, instalación y toma de datos del detector ACORDE (ALICE Cosmic ray detector) que ha participado en el periodo de toma de datos del experimento ALICE, desde Otoño de 2007. Recientemente, hemos colaborado con los colegas del Cinvestav y la Universidad Autónoma de Sinaloa (UAS) en la operación del detector AD (ALICE Difracción detector) y hemos contribuido al estudio de colisiones del tipo protón-plomo y protón-protón a las energías de colisión del LHC.

 

3) ¿Cuáles son los postulados fundamentales del modelo estándar? La existencia de cuatro fuerzas fundamentales, que son cada una de las interacciones que puede sufrir la materia y que no pueden descomponerse en interacciones más básicas. Se consideran cuatro campos de fuerzas como origen de todas las interacciones fundamentales:

  1. Interacción electromagnética. Transmitida por fotones. La sufren o perciben todas las partículas con carga eléctrica.
  2. Interacción nuclear débil. Transmitida por bosones vectoriales. Es responsable de la radioactividad.
  3. Interacción nuclear fuerte. Transmitida por gluones. Es la que permite a los quarks (partículas subatómicas) mantenerse unidos para formar mesones y bariones (nucleones). Sólo la sufren los hadrones.
  4. Interacción gravitatoria o gravitación: Transmitida por el gravitón (partícula aún no descubierta). Entre las partículas fundamentales, a nivel microscópico, esta fuerza es de escasa importancia y difícil de incluir en las teorías cuánticas.

 

4) ¿A qué partículas se les llama hadrones? A aquellos entes formados por un par quark-anti quark (mesones) o tres quarks (bariones). Los quarks y los gluones están sujetos a esta interacción, pues ellos llevan una carga de color que es el equivalente de carga eléctrica para la interacción electromagnética.

Según el modelo estándar, la materia está formada por fermiones (a su vez divididos en quarks y leptones), mientras que las partículas que transmiten las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza (electromagnetismo, interacción nuclear débil y gravedad) son bosones.

 

Los “portadores” de las interacciones fundamentales asociados con la interacción electromagnética (fotones), débil nuclear (bosones Z, W y W+) y las interacciones nucleares fuertes (gluones) han mostrado su existencia, de varias formas. Únicamente, los gravitones, hipotéticos portadores de las interacciones gravitacionales no han sido detectados.

 

Hasta ahora, no se tiene una forma de incorporar los efectos cuánticos en la teoría de la relatividad general. Esto es, no tenemos una modelo de la “gravedad cuántica”. Desde mi punto de vista, el problema fundamental radica en la enorme diferencia entre la intensidad de las fuerzas que gobiernan los fenómenos cuánticos, gobernados por las interacciones fuertes, débiles y/o electromagnéticas, con respecto a la intensidad de la fuerza gravitacional. La diferencia es enorme. Los físicos teóricos han trabajado en tratar de entender y resolver este problema; creo que aun pasarán varias décadas para alcanzar una teoría de la gravedad cuántica. Se ha mostrado recientemente que el bosón de Higgs está relacionado con la masa de las partículas elementales. Esto debe estar vinculado con las ideas de la gravedad cuántica, pero hasta ahora, no se tiene una propuesta, convincente, que incorpore todas estas ideas.

 

5) Si la interacción eléctrica con la que tenemos contacto diario por sus consecuencias en la vida moderna, es la responsable de hacer que los protones de un átomo se aparten mutuamente por el hecho de tener igual carga positiva, ¿por qué los núcleos atómicos que contienen protones y neutrones se mantienen unidos?

Las interacciones fuertes, entre quarks y gluones, son 5 órdenes de magnitud más intensas que las fuerzas electromagnéticas. Por eso, los protones, neutrones y los hadrones, en general,  se mantienen como un objeto con identidad hadrónica.

 

 

 

 

Pies de fotos para el grupo BUAP-ALICE

Grupo del Dr. Arturo Fernández Téllez

Izq.- der. Anton Jusko (Universidad de Birminham); Dr. Arturo Fernández Téllez (BUAP); Dr. Mahan Kriuda (Universidad de Birminham), Luis A. Pérez Moreno (BUAP-estudiante de doctorado); Dr. Enrique Cabrero (Director del CONACyT).

Lugar: Central Trigger Proccesor Lab, CERN, Ginebra. (Las tarjetas electrónicas sobre la mesa fueron diseñadas por Luis Pérez como parte de su tesis de doctorado).

Comida de Doctorado en Física de Héctor Bello Martínez, a finales de 2017. Izq.-der. Dr. Gerardo Herrera, Dr. Mario Rodríguez (ALICE-BUAP), Dra. Irais Bautista (ALICE-BUAP), PhD. Héctor Bello Martínez (BUAP), Dr. Arturo Fernández Téllez.

 

Estudiante de doctorado de la BUAP Abraham Villatoro Tello enfrente del sistema de detectores del experimento ALICE en la caverna p.-2.LHC. Dr. Arturo Fernández Téllez también en la caverna.

 

Abraham Villatoro Tello enfrente del sistema de detectores del experimento ALICE, en la caverna. p. 2-LHC.

 

Dr. Guillermo Tejeda Muñoz (BUAP-ALICE), el Plano Cósmico y el Dr. Arturo Fernández Téllez, en el interior del Árbol de Navidad de la BUAP. En la época decembrina del 2016, el Plano Cósmico se sincronizaba con las luces del Árbol de Navidad de la BUAP, cada vez que el Plano Cósmico detectaba un rayo cósmico, se encendían las luces del Árbol. Fue un espectáculo único e impactante, en la Ciudad de Puebla.

 

 

Disco centellador V-0. Entrevista al Dr. Arturo Menchaca

1) ¿Qué son las colisiones ultra periféricas?

Como cuando chocan dos autos, esto puede ocurrir de frente o de rozón. Esto último sería una colisión periférica. Lo “ultra” es un superlativo. En esta física, las colisiones más periféricas ocurren vía la interacción de mayor alcance: la electromagnética.

 

2) ¿Qué otros desarrollos ha tenido su grupo como aportaciones al CERN?

Una parte importante ha sido instrumental. Hoy mismo, en el IFUNAM estamos construyendo la actualización (up grade) del V0A, Sin embargo, también hemos trabajado en los aspectos puramente científicos del proyecto. En particular, junto con un alumno mío de doctorado español (que ya terminó), fuimos de los primeros en proponer el estudio de la producción de núcleos y (sobre todo) anti núcleos ligeros, es decir, deuterones, tritios, helios 3 y 4, sus antis. Antes debo aclarar que yo ingresé al ALICE después de haber sido invitado por Samuel Tiny (Premio Nobel 1976) a participar en el proyecto AMS02, cuyo propósito inicial fue la búsqueda de antimateria en el universo.

 

En realidad, fue Gerardo Herrera quien, tiempo después se acercó a mí para ofrecer colaborar en ALICE. La propuesta inicial me interesó, entre otras cosas, pues en ALICE se podían producir núcleos y anti núcleos, lo que me interesó mucho.

 

3) ¿Qué otros investigadores del IFUNAM se han incorporado al proyecto ALICE o a cualquier otro proyecto del CERN?

El más notable ha sido Varian Grabski, investigador de origen armenio, quien también fue contratado durante mi gestión como Director del IFUNAM, y quien hoy es mi principal socio, ya que mi grupo se fisionó para que una parte se dedicara al HAWC.

 

Otros investigadores del Instituto de Ciencias Nucleares que se hayan incorporado al ALICE son Guy Paic (el principal), Eleazar Cuautle y Antonio Ortiz.

 

 

“Grupo EnElCERN” del IFUNAM

El personal que por parte del Instituto de Física de la Universidad Nacional Autónoma de México (IFUNAM) han estado trabajando en el proyecto V0A. En la foto “Grupo EnElCERN” anexa están casi todos. El único que no es del grupo del Dr. Arturo Menchaca es el joven que está a su derecha (camisa blanca y pelo sobre la frente). El resto son: Rubén Alfaro Molina (arriba de todos, investigador, ex alumno de doctorado). Siguiente fila: de izquierda a derecha: Dr. Arturo Menchaca, Arnulfo Martínez Dávalos (playera negra, investigador, ex alumno de tesis de licenciatura). Y Andrés Sandoval (calvo y pantalón verde, investigador contratado por el IFUNAM  durante la Dirección del Dr. Menchaca para hacerse cargo del proyecto), siguiente fila: Saúl Aguilar (camisa a cuadros entonces estudiante de Rubén Alfaro), Moisés Linares Atenco (camisa azul con cuadros chicos, entonces alumnos de tesis de licenciatura del Dr. Menchaca).

 

Sentadas: Laura Elena González Trueba (camiseta blanca, entonces alumna de licenciatura de Andrés Sandoval, hoy profesora de ciencias de la Facultad de Ciencias de la UNAM), y Mariana Vargas Magaña (suéter azul oscuro, entonces alumna de Sandoval, hoy investigadora del IFUNAM. Falta Ernesto Belmont Moreno (él tomó la foto, se doctoró con el Dr. Menchaca).

 

Otros investigadores del Instituto de Ciencias Nucleares que se han incorporado al ALICE son Guy Paic (el principal), Eleazar Cuautle y Antonio Ortiz.

 

 

Otras virtudes del CERN

El CERN es además una señal de arrepentimiento que los científicos de todo el mundo han demostrado después de los desastres de la Guerra Mundial y el uso de armas nucleares, para ahora trabajar pacífica y conjuntamente en pro de la humanidad con un proyecto solidario utilizando sus conocimientos en beneficio de todo el planeta.

 

El Gran Colisionador de Hadrones es el acelerador de partículas más potente jamás construido. Se encuentra a más de 100 m por debajo de la superficie, en un túnel circular que forma un anillo con 9 km de diámetro. En el anillo –cuyo perímetro de aproximadamente 27 km atraviesa la frontera entre Francia y Suiza –se aceleran protones hasta que alcanzan una velocidad muy cercana a la de la luz: dos haces circulando en direcciones opuestas colisionan en varios puntos del anillo. En estos puntos, los físicos han colocado detectores para observar qué es lo que ocurre en los violentos choques entre protones.

 

Durante las colisiones de protones contra protones se espera observar una serie de fenómenos que podrían dar respuesta a importantes preguntas de la física de nuestros días: ¿por qué el universo está hecho de materia y no de antimateria?, ¿cómo era el universo, justo después de la gran explosión?, ¿por qué los cuerpos presentan una resistencia a moverse?, ¿existen más dimensiones que las que nos son familiares?, y ¿de qué está hecho el universo?

 

La violencia de las colisiones es tan grande que mucha gente se ha preocupado por lo que ahí pudiera ocurrir.

 

En realidad no hay razón para alarmarse. Sabemos que aun cuando las colisiones del acelerador llegasen a producir objetos extraños como agujeros negros, estos no representan ninguna amenaza para nuestro planeta. Desde hace millones de años el universo produce interacciones del mismo tipo, y aun de mayor energía que las que se estudian de manera controlada en el Gran Colisionador de Hadrones. Radiación cósmica de muy alta energía llega hasta la Tierra, así como objetos del universo que producen colisiones todavía más violentas que las que se observan ya en el Gran Colisionador de Hadrones.

 

De hecho, cada segundo se producen en el universo 10 billones de veces más colisiones de este tipo que las que producirá el Gran Colisionador en toda su vida útil. Si consideramos la edad del universo, entonces el número de colisiones que se han producido ya es inconcebiblemente mayor que lo que tendremos en 10 años de funcionamiento del GCH. En otras palabras, es como si el universo hiciera 10 billones de experimentos como el del colisionador cada segundo. La idea de hacer uno más en el CERN es que podremos estudiar cuidadosamente qué es lo que ocurre cuando se producen estas colisiones.

 

Aquí está el lugar más frío y silencioso del universo

Los cuartos de control del acelerador y de los experimentos del Centro Europeo de Investigaciones Nucleares siempre están trabajando, excepto cuando el acelerador requiere mantenimiento. Día y noche se turnan los operadores para registrar lo que ocurre en las cavernas experimentales bajo sus pies. Las oficinas permanecen con la luz encendida toda la noche y los escritorios están siempre ocupados por gente que revisa en las pantallas de sus computadoras los resultados del procesamiento de la información acumulada día con día.

 

A cien metros bajo tierra corre el túnel por el que viajan los protones a una velocidad tal que en un segundo darían siete vueltas y media a la Tierra. Es la primera vez que los físicos logran producir y controlar un haz de tan alta energía. En cuatro puntos del anillo, estos haces colisionan produciendo un estallido de radiación que es captado por los dispositivos y construidos con ese fin.

 

El Gran Colisionador de Hadrones es un acelerador superconductor, lo que quiere decir que los alambres por los que circula la corriente eléctrica de sus electro magnetos son de un material especial que no presenta resistencia a la corriente. Para tenerlos en el estado superconductor, es necesario operar estos alambres a una temperatura de -271oC.

 

Esta no solo es una  extremadamente baja, es además cercana a la temperatura más baja posible de -273.15oC. La temperatura más baja posible es tan especial que los físicos la llaman el cero absoluto.

 

La temperatura del espacio exterior se mantiene en promedio a 2.7oK; es decir, 2.7 grados arriba del cero absoluto, o mejor dicho, a -270oC. El cero absoluto corresponde a la temperatura a la cual los átomos y las moléculas se detienen por completo en un estado sin movimiento. Aquí la energía desaparece por completo. El cero absoluto es la muerte misma.

 

Puesto que entendemos la materia y la energía como representaciones de una misma cosa, cuando se llega al cero absoluto ya no tiene sentido hablar de contenido. La situación  se vuelve paradójica y el cero absoluto es inalcanzable. El Gran Colisionador de Hadrones hace uso de helio a tan solo dos grados por encima del cero absoluto; a esta temperatura, el elemento se convierte en un fluido perfecto que los físicos llaman súper-fluido.

 

Un súper-fluido es algo peculiar: un líquido capaz de reptar por la superficie de los objetos venciendo la gravedad; se cuela por las rendijas más delgadas que se puedan imaginar. La construcción de un recipiente para contenerlo no es algo fácil. El helio súper-fluido sube por las paredes de su contenedor adhiriéndose hasta que termina por cubrirlo con una delgada capa.

 

Trabajar con un líquido caprichoso requiere del desarrollo de una tecnología muy compleja. Para construir el GCH, que hace uso de helio en el estado de súper-fluidez,  fue necesario desarrollar esta tecnología.

 

En las cavernas experimentales, el perturbador ruido de los sistemas de enfriamiento, ventiladores, inyectores de aire, conductos de gases, tuberías y equipos industriales, dan paso al más profundo silencio de una cámara de vacío. Un tubo de berilio marca la trayectoria del diminuto haz de protones. Este es el lugar más frío del universo. Al interior de esta cámara de vacío tubular, se producen en el más completo silencio, las colisiones, pues el sonido, como sabemos, no se propaga sin la presencia del aire.

 

El modelo estándar requiere las partículas de Higgs para poder continuar con la descripción de la naturaleza a las energías que han sido comprobadas por el LHC. Como esta hipótesis de Higgs resultó correcta, los cálculos y mediciones efectuadas en el LHC comprobaron la hipótesis, que adquirió el rango de teoría.

 

Ciencia de frontera

Los físicos de partículas están muy entusiasmados en el LHC. Hay muchas razones poderosas para creer que la frontera energética que alcanzará será crucial. Por ejemplo, el mecanismo que gobierna las masas de partículas.

 

Por ejemplo, el mecanismo que gobierna las masas de partículas deberá hacerse visible. Este mecanismo podría anunciar por sí solo la producción de una o más de las llamadas partículas de Higgs, así que un tema mayor para el LHC es buscarlas. Se encontraron en 2010, lo que le valió al físico quien propuso a nivel teórico su existencia, el Dr. Higgs, el Premio Nobel de Física de 2012.

 

Los físicos de todo el mundo han intentado describir la forma cómo se comparta la materia con el modelo estándar, durante cuatro décadas. Estos científicos están listos para explorar lo que está oculto, lo que hay detrás. A pesar de que puede haber muchas teorías para intentar explicar lo que podría ser, se encuentran prácticamente a oscuras. El rayo que dirigirá la luz guía para un nuevo territorio de la física más allá del modelo estándar será el LHC.

 

La importancia del CERN como instrumento de investigación

Históricamente, los avances en la tecnología de aceleradores iniciaron como investigación científica básica, La curiosidad humana por descubrir las leyes de la naturaleza, de las más fundamentales interacciones de la materia al comportamiento de los sistemas biológicos complejos, ha conducido a la búsqueda de herramientas cada vez más poderosas. Desde los días del tubo de rayos catódicos, en 1980, los aceleradores de partículas han sufrido una extraordinaria transformación como herramienta de ciencia básica.

 

Entre el ciclotrón de 10 cm de diámetro de Ernest Lawrence, construido en Berkeley en 1930, y los aceleradores más poderosos de hoy, como el Gran Colisionador de Hadrones, hemos tenido docenas de máquinas cada vez  más poderosas y precisas, que han venido incorporando innovaciones para el avance científico. Cada generación de aceleradores de partículas se construye sobre los logros del anterior, aumentando aún más el nivel de tecnología.

 

Uno de los usos más populares de los aceleradores es el de generadores de luz, la cual tiene características muy particulares que permiten obtener una gran resolución, tanto espacial como temporal, en sus aplicaciones. Es también muy brillante y barre un espectro amplio que incluye los rayos X duros.

 

La radiación es el producto de la aceleración de cargas eléctricas, lo cual se logra de diferentes maneras. El tipo de luz producida y sus características dependen de la forma escogida, aunque la más común es utilizar fuentes de luz sincrotón, en donde los electrones son acelerados hasta que alcanzan la energía deseada y luego son inyectados a un anillo de almacenamiento, el cual contiene dispositivos especiales en sus secciones rectas para producir la luz coherente.

 

Aplicaciones del acelerador a la investigación

¿Qué hacen los investigadores para develar la estructura de virus como el VIH? ¿Cómo calculan la edad de artefactos como las pinturas de las cuevas de Lascaux, y como trabajan con lo que sucede al interior de las estrellas? La respuesta a todas estas preguntas es con un acelerador de partículas. Los aceleradores son indispensables en un amplio rango de disciplinas.

 

Para calcular la edad de un objeto, puede resultar útil un acelerador usando una técnica llamada espectrometría de masas. Todos los seres vivos consumen y liberan carbón, pero existe más de una forma de carbono. La mayoría de los átomos de carbón contienen seis protones y seis neutrones, pero algunos contienen dos neutrones extras. La más rara es el carbono 14; sin embargo, esta forma decae lentamente en nitrógeno 14 con una vida media de 5 730 años. Eso significa que según el número de átomos de carbono 14 con los que se inicie, después de 5 730 años habrá sólo la mitad remanente.

 

Cuando una planta o un animal están vivos, la razón de carbono 12 sobre carbono 14 es constante. Pero cuando muere, la cantidad de carbono 14 decae lentamente y la razón cambia. La espectroscopía de masas de un acelerador mide esta razón, permitiendo a los científicos calcular hace cuánto tiempo vivió un objeto ahora inerte. Así es cómo los investigadores han precisado la edad de los restos de mamuts o la edad de Lucy, fósil considerado durante mucho tiempo nuestro antepasado más remoto, encontrado al Norte de África.

 

El espectrómetro de masas con base en un acelerador de partículas fue desarrollado en la década de 1970, y desde su inicio su trabajo se ha extendido a otros elementos con diferentes vidas medias. Para fechar el cráter ocasionado por el meteoro de Arizona con una edad de aproximadamente 49 mil años, se utilizó un elemento de larga vida media, fabricado en el CERN.

 

Algunos aceleradores que producen rayos de partículas inestables son auxiliares en la investigación sobre el brillo de estrellas. Esto es debido a que las estrellas producen energía a través de la fusión nuclear (el núcleo de hidrógeno fusiona para formar helio, el helio fusiona para formar berilio, y así sucesivamente cada fusión libera energía). Algunos de los elementos son muy inestables, sobreviven por periodos muy cortos de tiempo antes de decaer en elementos más estables. Pero en las estrellas, tales elementos inestables se producen en grandes cantidades haciéndolas parte esencial de la cadena. Así que para entender a las estrellas, laboratorios como el CERN fabrican y estudian estos elementos inestables.

 

Otra vez en Tierra, los aceleradores que examinan las estrellas también pueden ser importantes en la investigación sobre semiconductores que se basa en utilizar pequeñas impurezas para hacer capas de materiales con propiedades peculiares. Mientras los aparatos semiconductores se vuelven cada vez más pequeños, es también cada vez más importante saber exactamente donde colocar las impurezas y el rol que desempeñarán. Mediante la sustitución de impurezas con isótopos radioactivos del mismo elemento y observando su decaimiento, la posición de las impurezas puede localizarse con una gran precisión.

 

Aplicaciones de los aceleradores en Medicina. Protones contra el cáncer

La Tomografía por Emisión de Positrones (PET, en inglés) es una forma de diagnóstico radio-farmacéutico. Es una poderosa técnica cuyo desarrollo debe mucho al CERN y al Hospital Cantonal de Ginebra. La PET permite cambios en las enfermedades relacionadas con tejidos y órganos para ser detectados antes de que síntomas severos aparezcan. Consiste en que un fármaco radiado que emite positrones, es administrado al paciente. Cuando se emiten los positrones, se aniquilan inmediatamente con los electrones en el organismo del paciente. Esto libera dos rayos gamma que son detectados, señalando puntualmente el lugar donde la aniquilación se llevó a cabo. La PET muestra a los detectores exactamente donde termina al radio fármaco en el organismo, permitiéndoles explorar el correcto funcionamiento del medicamento.

 

Muchas formas de ingeniería médica dependen de otra tecnología desarrollada por la física de partículas: los detectores de partículas. Los predecesores de los detectores usados en muchos escáneres de PET fueron desarrollados para otro tipo de experimentos en el CERN. Son hechos con base en cristales que brillan cuando partículas como los rayos gamma los golpean.

 

Partículas para terapia

Si queremos extirpar el cáncer, el bisturí más fino es un haz de protones. La tecnología que usan en la actualidad los físicos del Gran Colisionador de Hadrones para acelerar protones y estudiar lo que ocurre cuando se les hace chocar a energías muy altas es, en muchos casos, la misma que está curando el cáncer en cada vez más hospitales del mundo.

 

Los protones tienen características diferentes a las de los haces de electrones y rayos X que se usan convencionalmente en el tratamiento contra el cáncer. Los haces de los rayos X penetran al cuerpo con un alto nivel de energía hasta llegar al tumor y salen por el lado opuesto irradiando también todo el tejido sano que encuentran a su paso. En cambio, los protones entran al cuerpo con un nivel de energía baja y liberan la mayor parte de su energía en el momento en que golpean el tumor. De esa manera es muy leve el daño que hacen al tejido sano que se encuentra antes del tumor y es prácticamente cero para el tejido que se encuentra detrás. Más de treinta mil pacientes han sido tratados ya con haces de protones y se han estudiado los resultados obtenidos –por ejemplo, en personas con problemas de cáncer en la cabeza o el cuello- , los cuáles hasta ahora son conocidos muy exitosos.

 

La parte más atractiva del uso de los haces de protones es la precisión con que se puede irradiar una zona dada del cuerpo con un daño mínimo al tejido sano, lo cual reviste una enorme importancia.

 

Los estudios más recientes muestran que cada unidad de radiación ocasiona un daño. Cuánto más pequeña es la dosis, más tarda en manifestarse. Por ello, hace apenas unos cinco o seis años los médicos descubrieron lo que pueden afectar los tratamientos de radiación: por ejemplo, la radioterapia en el cerebro puede ocasionar un descenso en el IQ de las personas, el tratamiento para el cáncer de próstata puede tener como consecuencia sangrados rectales y asimismo los tratamientos en el pecho tienen como consecuencia una inflamación pulmonar seria. El tratamiento para el cáncer con daño mínimo al tejido sano es, pues, de fundamental importancia; por tal razón el uso de protones en este proceso constituye un avance de gran relevancia en la lucha contra esta enfermedad, toda vez que proporciona una manera más precisa y menos dañina de tratar los tumores.

 

México y los aceleradores de partículas

Un acelerador de partículas es un dispositivo que, haciendo uso de campos eléctricos y magnéticos, lleva a partículas cargadas a altas velocidades. A primera vista, algo así podría parecer baladí. Sin embargo, los aceleradores están cada día más presentes en nuestras vidas, y aunque pocas veces nos percatamos de ello, los aceleradores son una tecnología que llegó para quedarse.

 

En el México de los años cuarenta, el Instituto Politécnico Nacional (IPN) comenzó a cultivar la tecnología de aceleradores de partículas En 1942, el doctor Manuel Cerrillo Valdivia, investigador de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, inventó el transformador gemelo Tesla, que dio origen a la generación de grandes voltajes para su aplicación en la aceleración de partículas.

 

Manuel Cerrillo, quien fuera uno de los primeros directores del IPN, se fue en 1939 al prestigioso Massachusetts Institute of Technology (MIT), en Estados Unidos, pero Juan Manuel Ramírez Caraza siguió adelante con el proyecto en México. En 1948, este último anunció la obtención de 15 millones de voltios en las instalaciones ubicadas en el Centro Histórico de la ciudad de México, lo que en esa época era todo un récord mundial. Más tarde, en 1950, el mismo Ramírez Garza sería también director del IPN.

 

Un haz de partículas es una herramienta muy útil. Si tiene la energía correcta y la intensidad justa, puede reducir un tumor, producir energía limpia, detectar un objeto sospechoso en carga, fabricar un mejor neumático radial, potabilizar el agua sucia para beberla, trazar proteínas, estudiar una explosión nuclear, diseñar una nueva droga, fabricar un cable automotriz resistente al calor, diagnosticar una enfermedad, reducir la basura nuclear, detectar la falsificación de arte, implantar iones en semiconductores, datar objetos arqueológicos o descubrir los secretos del universo.

 

Los haces producidos hoy día en aceleradores de partículas se orientan al estudio de problemas de mucho interés para nuestro país: energía, ambiente, empleos dignos y seguridad económica, salud, etcétera. La nueva generación de aceleradores tendrá un potencial mayor y contribuirá aún más a la salud, riqueza y seguridad de las naciones que los diseñan, producen y utilizan. Así, por ejemplo, incorporar la tecnología de aceleradores en las fuentes de energía nuclear del mañana tiene el enorme potencial de hacer a la energía atómica más segura, más limpia, con mucho menos residuos nucleares.

 

Los haces de electrones pueden tratar el flujo de gases de las plantas generadoras de electricidad y volverlas más limpias y amigables con el medioambiente; de igual manera estos haces podrían purificar el agua que ahora se desperdicia y hacerla potable. Asimismo, los avances en la terapia con haces prometen mejorar el tratamiento del cáncer maximizando la energía que se deposita en el tumor al mismo tiempo que se minimiza el daño al tejido sano. Los aceleradores pueden servir como fuente alternativa confiable de isótopos médicos. En la industria, los aceleradores son una alternativa más barata y más verde en cientos de procesos de manufactura. Así, el desarrollo continuado de la tecnología de aceleradores data a los científicos las herramientas que harán posible los descubrimientos en todo el espectro de las ciencias, de la física de partículas a la bilogía humana.

 

En el mundo, operan más de 30 mil aceleradores que trabajan diariamente para producir los haces de partículas en los hospitales y clínicas, en las planta de manufactura en los laboratorios industriales, etcétera. En México contamos con más de 70, de los cuales poco más de 50 se encuentran ubicados en hospitales a lo largo y ancho de la República.

 

El potencial a futuro de las aplicaciones de los aceleradores es reconocido en muchos  países. Los países de Europa y Asia están aplicando las nuevas tecnologías para aceleradores  de la siguiente generación.

 

México debería contar con una fuente de luz sincrotón, pues le permitiría incursionar en un área de desarrollo tecnológico que tiene un futuro extraordinario en muy diversos campos. Una fuente de luz sincrotón pondría a nuestro país a la vanguardia del desarrollo científico y tecnológico, y esto con un esfuerzo económico modesto.

 

El hecho de que la física experimental de partículas mexicana esté presente en el CERN es un indicio de que la ciencia mexicana y algunos investigadores nacionales puedan pertenecer a la big science mundial, con todos los beneficios que ello supone.

 

* Periodista científico y divulgador de la ciencia, la tecnología y la innovación. Colaborador de México Ambiental,

 

 

Bibliografía de “México y el Gran Colisionador de Hadrones  (2018)”

 

HERRERA Corral, Dr. Gerardo. El Gran Colisionador de Hadrones. “Historias del laboratorio más grande del mundo”. Universidad Autónoma de Sinaloa. México, 2013.

 

Hemerografía de “México y El Gran Colsionador de Hadrones  (2018)”

 

CARRILLO Aguado, Lic. José Luis. Hacia una estrategia europea de física de partículas. “Una ventana abierta al Universo”. Revista Conversus del Instituto Politécnico Nacional. Conversus, Donde la ciencia se convierte en cultura,  No. 65, noviembre 2007.



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Monterrey, Nuevo León, México, 1 de septiembre de 217, México Ambiental.-La Procuraduría Federal de Protección al Ambiente (PROFEPA) aseguró precautoriamente

Invitan a confinar los árboles de Navidad natural para convertirlos en composta

Ciudad de México, México, 8 de enero de 2019, México Ambiental.- La Comisión Nacional Forestal (CONAFOR) invitó a la población