Los escáneres de rayos X, los tratamientos de radioterapia para curar el cáncer y los microchips de nuestros móviles tienen un vínculo en común: los aceleradores de partículas. Estos dispositivos capaces de generar, acelerar y confinar haces de partículas con carga eléctrica han sido clave para conocer la estructura de la materia y, gracias a su desarrollo y a sus múltiples aplicaciones, se han convertido en herramientas indispensables en la sociedad actual. Casi un siglo después de su surgimiento, el CSIC publica ‘Aceleradores de partículas. Del laboratorio a la sociedad’, el nuevo volumen de la colección ¿Qué sabemos de? (CSIC-Catarata).
Los investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC), ubicado en el área científico-académica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV), Nuria Fuster y Daniel Esperante proponen un recorrido por la evolución de estas potentes y complejas máquinas. En poco más de 120 páginas, los expertos en aceleradores de partículas repasan las funciones de estos aparatos, describen los conceptos científico-técnicos que subyacen en su funcionamiento y presentan varias aplicaciones en las que desempeñan un papel crucial.
“La historia de los aceleradores de partículas es una evidencia de curiosidad humana y perseverancia científica porque, a través de los avances tecnológicos en la construcción de aceleradores, se ha logrado comprender mejor el universo a niveles subatómicos y responder preguntas fundamentales sobre la materia, la energía y las fuerzas fundamentales que rigen el cosmos”
“La historia de los aceleradores de partículas es una evidencia de curiosidad humana y perseverancia científica porque, a través de los avances tecnológicos en la construcción de aceleradores, se ha logrado comprender mejor el universo a niveles subatómicos y responder preguntas fundamentales sobre la materia, la energía y las fuerzas fundamentales que rigen el cosmos”, destacan. “Asimismo, han influido en numerosos aspectos de la vida cotidiana, desde la atención médica avanzada hasta la tecnología de vanguardia y la seguridad alimentaria”, agregan.
Fuster y Esperante nos conducen hasta el interior de un acelerador para conocer sus entresijos. “El gran secreto de los aceleradores de partículas, y lo que los hace tan interesantes, es su capacidad para concentrar energía en espacios diminutos de manera controlada”, destacan.
Los expertos del IFIC explican que, para generar partículas, impulsarlas y guiarlas, se necesitan conocimientos de física y de ingeniería. A partir de ahí, todos los aceleradores de partículas, aunque varíen en forma (lineales o circulares), tamaño (desde metros hasta kilómetros de longitud) y tecnología (superconductores o no), comparten cuatro componentes principales: la fuente de partículas, los tubos de vacío y los generadores de campos eléctrico y magnético.
Según la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA), hay más de 30.000 aceleradores en uso en todo el mundo y, de estos, más del 97% se utilizan con fines comerciales, entre ellos, las aplicaciones médicas, que suponen en torno al 45-50%. “Las técnicas terapéuticas y diagnósticas basadas en aceleradores están adquiriendo un papel crucial en la detección y tratamiento de cánceres complejos, además de contribuir significativamente al entendimiento del funcionamiento de órganos clave, como el cerebro, y de las causas subyacentes de enfermedades con un gran impacto social, como la demencia”, apuntan los investigadores.
El año 1953 marcó un hito histórico: un paciente fue tratado por primera vez con un acelerador lineal de partículas con un haz de rayos X. Los autores recalcan que este avance representó mucho más que un logro técnico: “fue un salto hacia un futuro donde la radioterapia se volvió más precisa y menos dañina para los tejidos sanos”.
“Las técnicas terapéuticas y diagnósticas basadas en aceleradores están adquiriendo un papel crucial en la detección y tratamiento de cánceres complejos, además de contribuir significativamente al entendimiento del funcionamiento de órganos clave, como el cerebro, y de las causas subyacentes de enfermedades con un gran impacto social, como la demencia”
Décadas más tarde, el uso de los rayos X en radioterapia ha avanzado mucho y, en la actualidad, es la técnica más común para tratar el cáncer. “En un linac de radioterapia los rayos X se ajustan y moldean para tomar la forma exacta del tumor del paciente, incluso se usan después de cirugías para eliminar restos de tejido canceroso en áreas cercanas al tumor”, explican los científicos.
Los haces de partículas generados por tecnología de aceleradores también ocupan un lugar fundamental en la industria. Su nivel de precisión y sensibilidad se combina con la ventaja de ser procedimientos generalmente no invasivos ni destructivos. Así, los aceleradores se aplican en la fabricación nanotecnológica, como herramienta ideal para crear nanoestructuras. Asimismo, se utilizan para esterilizar en masa dispositivos médicos como implantes o utensilios quirúrgicos, mediante haces de electrones, o en aduanas y aeropuertos con el fin de escanear contenedores, camiones o maletas en busca de sustancias peligrosas o ilegales.
En el ámbito medioambiental, su potencial se aprovecha para tratar aguas residuales y eliminar contaminantes orgánicos, de forma que se evita su vertido a ríos y mares. “En Corea del Sur se ha usado un acelerador de alta potencia en una planta de tratamiento de aguas residuales para tratar hasta 10.000 metros cúbicos diarios de aguas procedentes de la industria textil, y ha demostrado una elevada eficacia en la eliminación de impurezas orgánicas no degradables”, resaltan los autores.
Nuria Fuster Martínez es doctora en Física por la Universidad de Valencia e investigadora CDEIGENT de la Generalitat Valenciana en el IFIC. Ha trabajado en diferentes aceleradores internacionales, entre los que destacan el Large Hadron Collider (LHC) en Suiza y el Accelerator Test Facility (ATF) en Japón, así como en colaboraciones internacionales de aceleradores como CLIC/ILC y el HL-LHC.
Daniel Esperante Pereira es ingeniero de Telecomunicaciones, doctor en Física e investigador científico del CSIC en el IFIC. Ha trabajado durante años en el CERN en experimentos como LHCb y en colaboraciones internacionales de futuros colisionadores como CLIC e ILC.
Fuente: IFIC