Física de Aceleradores physics.acc-ph

Un haz de iones pesados en un acelerador se parece a una multitud que se empuja con los codos: cuanta más gente, más ancha es la multitud. Las partículas cargadas se repelen, y con corrientes superiores a unos pocos microamperios el haz se desparrama y pierde su forma.

En un acelerador circular, las partículas giran en círculo, como coches en una rotonda. Normalmente, al inyectar nuevas partículas, estas ocupan lugares aleatorios en la rotonda, y el haz se vuelve «difuso».

Una cuerda de guitarra, al ser pulsada, vibra — y el aire a su alrededor transmite esa vibración al oído. El espacio-tiempo vibra de otra manera: cuando una onda gravitacional lo atraviesa, se estira y se comprime ligeramente.

En un acelerador de partículas, los electrones recorren un círculo a casi la velocidad de la luz. Cuando uno de estos electrones choca con un fotón —una partícula de luz—, el fotón rebota como una pelota contra un camión en movimiento y sale con mucha más energía.

En los aceleradores gigantes, las partículas viajan casi a la velocidad de la luz y chocan de frente. Pero a veces un haz resulta un poco más denso que el otro, como si en una escalera mecánica abarrotada alguien se pusiera en el sentido contrario. Entonces las colisiones ocurren de manera desigual y los instrumentos empiezan a "parpadear", alterando las mediciones.

Cada año, solo en Estados Unidos, los médicos realizan más de 16 millones de exploraciones con el isótopo radiactivo tecnecio-99m. Ilumina en las imágenes el corazón, los huesos, los pulmones, ayuda a encontrar un tumor o a comprobar el flujo sanguíneo.

Un anillo del tamaño de un plato de comida hizo que un haz de electrones corriera en círculos. Su diámetro es de 22 centímetros y una vuelta completa tarda apenas 4,7 nanosegundos. Para que te hagas una idea: en un segundo, ese electrón daría más de doscientos millones de vueltas.

En un acelerador de plasma, las partículas se aceleran como surfistas sobre una ola creada en el plasma. Si el paquete líder y el paquete trasero no viajan en la misma línea, surge una inestabilidad que sacude al paquete trasero. Es como si un surfista en una ola comenzara a zigzaguear de un lado a otro: su trayectoria se degrada y puede caerse de la ola.

En el corazón de los Alpes se esconde el Gran Colisionador de Hadrones. De vez en cuando sus detectores registran picos repentinos: los científicos los llaman UFO (objetos no identificados en caída). Según una teoría, no son fallos del equipo, sino rastros de materia oscura.

Un flujo de electrones se puede comparar con el haz de un puntero láser: si diverge, la mancha en la pared se extiende rápidamente. En el laboratorio, los físicos han creado un haz tan estrecho que permanece fino a gran distancia, como el de un buen puntero.

Un pulso láser que viaja a través de un plasma es como un corredor que se abre paso entre la multitud: empuja a los electrones y deja tras de sí un canal de baja densidad, igual que la gente se aparta ante un velocista.

Un láser de electrones libres convencional se parece a un instrumento musical con una sola cuerda: solo puede tocar una nota hasta que se modifica su construcción. Para obtener otra longitud de onda, hay que reajustar los imanes o acelerar los electrones con más fuerza. Eso es caro y voluminoso.

Las fuentes modernas de rayos X se parecen a una orquesta sin director: los electrones en el haz van cada uno por su lado y la radiación sale borrosa. La nueva idea es hacer que los electrones se alineen en filas uniformes con un paso de varios nanómetros. Entonces la luz que emiten se vuelve coherente, como un rayo láser.

Dentro del futuro reactor de fusión flotará un imán que pesa como un automóvil pequeño. Sostiene el plasma ardiente como una mano invisible sostiene una nube. Antes se consideraba que un imán así no servía para combustible de deuterio y tritio: los flujos de neutrones lo destruían rápidamente.

Dentro de los grandes aceleradores de partículas hay cámaras metálicas huecas donde se aceleran los haces. Con el tiempo, en sus paredes se deposita una capa de suciedad, como en una olla vieja. Esa suciedad impide que el acelerador funcione a plena potencia.

Las partículas en un acelerador pueden oscilar simultáneamente en dos direcciones transversales, y estas oscilaciones no siempre son independientes. Si empujas un péndulo hacia un lado y empieza a balancearse también lateralmente, eso son oscilaciones acopladas.

La radioterapia se parece a disparar un rifle de gran calibre a un blanco pequeño: incluso un disparo preciso afecta una gran área alrededor. El grosor de la "huella", llamada penumbra, en los equipos estándar es de 2 a 3 milímetros. Para un tumor en el pulmón, esto no es grave, pero cerca de un nervio o un vaso sanguíneo, esos milímetros deciden si la persona quedará sana.

Un acelerador típico se parece a una línea de montaje donde los electrones son las piezas en bruto. Para obtener el pulso de rayos X deseado, la pieza se ajusta durante mucho tiempo después del arranque: se comprime, se filtra, se corrige. En el nuevo trabajo, los ingenieros decidieron actuar de otra manera: dar forma a la pieza antes de que entre en la línea de montaje.

Un haz de electrones en un acelerador se parece a una bandada de pájaros: vuela en grupo compacto, pero con el tiempo se dispersa. Para mantener las partículas juntas, normalmente se utilizan imanes pesados. Aquí se prescindió de ellos: el haz se comprimió a sí mismo.

El láser golpea una diminuta rejilla de vidrio y los electrones, al atravesarla, se aceleran. Es imposible ver el interior, así que lo que ocurre se deduce de la energía de los electrones tras la aceleración, igual que por las salpicaduras de una piedra se deduce su forma.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

Un flash fotográfico normal se congela en centésimas de segundo, pero para los átomos eso es una eternidad. Dentro de las moléculas, los electrones saltan en attosegundos: milmillonésimas de milmillonésima de segundo. Para capturar algo así se necesita un pulso de luz más corto que el propio evento.

El láser infrarrojo del Instituto Fritz Haber ahora funciona como un director con dos batutas. Antes producía un solo haz, en el infrarrojo medio, donde vibran las moléculas. Ahora se le ha añadido un segundo oscilador que emite luz infrarroja lejana, donde “respiran” los andamiajes moleculares completos.

Un haz de rayos X es un flujo de diminutas porciones de energía, los fotones. Los detectores comunes los cuentan, pero no distinguen matices: dos fotones con energía similar son iguales para ellos. El nuevo instrumento funciona como un termómetro sensible: atrapa cada fotón y mide cuánto calentó una película delgada.

Un bancal largo y estrecho necesita riego, pero no se puede mover la manguera: solo se puede abrir y cerrar el agua. Si simplemente abres el grifo, el agua sale en un chorro continuo y lo inunda todo de golpe. Pero si mueves la palanca rápidamente, puedes enviar pequeñas porciones de agua, y cada una caerá exactamente en su zona.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

En un caluroso mediodía, un bochorno sofocante se cierne sobre la ciudad y en el horizonte no hay ni una nube. Normalmente, con este tiempo solo queda esperar a que la naturaleza se apiade y envíe un poco de frescor. ¿Y si pudiéramos encender la sombra y la lluvia según un horario, como la luz de una habitación?

Un láser de fábrica, que en producción corta y suelda metal, se ha hecho funcionar por primera vez como acelerador de partículas. Los físicos tomaron un láser estándar de iterbio —cuyo núcleo es un cristal del tamaño de una palma— y convirtieron sus destellos en una herramienta para acelerar electrones hasta casi la velocidad de la luz.

Un grupo de protones entra en una nube de plasma y deja tras de sí una huella invisible: una onda eléctrica. Esta onda puede atrapar otras partículas y acelerarlas hasta energías enormes. Pero es difícil de controlar: hay demasiados detalles en el comportamiento del plasma.

Un rayo láser se asemeja a un vorágine veloz que atrapa por un instante al electrón que pasa. Mientras la partícula atraviesa el pulso, su espín (una rotación intrínseca, como la de una diminuta peonza) sufre un leve empujón. Al salir del haz, la peonza ya no apunta en la misma dirección: se ha girado un poquito.

En un acelerador circular, un haz de electrones recorre el círculo millones de veces. Si los electrones están retorcidos, como un hilo en una cuerda, su movimiento vorticial debería conservarse. Pero en el camino se encuentran empujones aleatorios provenientes de imanes imperfectos. Los científicos han descrito cómo el movimiento vorticial cambia bajo la influencia de tales perturbaciones.

El tirador apunta al blanco, aprieta el gatillo y escucha dos disparos: uno fuerte, otro suave. Así funciona la nueva instalación, solo que en lugar de balas hay un grupo de electrones, y en lugar de disparos, dos destellos de luz. Uno es de rayos X, el otro es terahercio. Vuelan hacia el mismo punto con un intervalo perfecto.

Durante tres días seguidos, un láser golpeó un chorro de gas y, cada segundo, se generaba un haz de electrones con una energía comparable a la de un pequeño rayo. Antes, estos haces solo se obtenían en enormes salas donde el acelerador ocupaba un edificio entero. Ahora, todo el sistema cabe en una habitación y funcionó sin fallos durante 72 horas.

En una habitación oscura, un rayo de sol atraviesa un agujero de alfiler en un cartón, y en la pared aparece una imagen invertida de la calle. La cámara estenopeica no necesita lentes: el pequeño orificio selecciona por sí solo los rayos que provienen de cada punto de la escena.

Un pulso láser incide en una nube de gas y arranca electrones de ella, dejando tras de sí una burbuja: una cavidad donde apenas hay partículas. Esa burbuja viaja a través del plasma a una velocidad cercana a la de la luz, y sus paredes arrastran a los electrones que quedaron dentro, como una lancha rápida arrastra a un esquiador acuático.