Partículas prácticas para un mundo acelerado

Author: Anónimo (no verificado) Fecha:Mayo 29, 2018 / Etiquetas: partículas, medicina, ingeniería, recomendado
Aceleradores de partículas en la medicina ALS Lawrence Berkeley National Lab Aceleradores de partículas Linac en SLAC Spallation Neutron Source

Por Ángela Posada-Swafford

Cuando uno piensa que los aceleradores de partículas son enormes máquinas usadas para hallar la estructura fundamental del cosmos, se asombra al enterarse de que se está perdiendo la mitad de la película.

Porque un haz de partículas subatómicas producidas en un acelerador es una herramienta muy útil. Cuando es disparado con la intensidad correcta, puede encoger un tumor, producir energía más limpia, hallar una carga sospechosa, limpiar el agua, mapear una proteína, diseñar una nueva medicina, diagnosticar una enfermedad, reducir los desperdicios nucleares, detectar una obra de arte falsificada, fijar la fecha de un hallazgo arqueológico, empacar el pavo navideño o descubrir los secretos del universo.

El más vistoso y grande podrá ser el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear, CERN; pero en realidad existen en el mundo más de 30.000 aceleradores de partículas, desde portátiles hasta del tamaño de una habitación, trabajando a energías menores que las de los aparatos gigantes. Están en hospitales, plantas industriales, laboratorios, puertos y hasta buques en altamar. Según un reporte del Departamento de Energía de Estados Unidos, el mercado para los aceleradores sobrepasa los 3.500 millones de dólares anuales, y está creciendo un 10% cada año.

Los colisionadores y aceleradores, tanto lineales como circulares (estos últimos llamados sincrotrones y ciclotrones), funcionan produciendo una corriente direccional de partículas subatómicas eléctricamente cargadas, que son forzadas a viajar contenidas al vacío dentro de campos electromagnéticos, lo cual les imprime altas velocidades. Las partículas empleadas incluyen electrones, positrones, protones y fotones, entre otras, según el uso que se les vaya a dar. Pueden manejarse directamente, o hacerlas chocar entre sí o contra un blanco fijo, para producir otro tipo de partículas, como los neutrones, que aunque no tienen carga eléctrica, pueden ser controlados en haces.

En la medicina nuclear, por ejemplo, se usan los aceleradores de partículas para producir radioisótopos (átomos con núcleos inestables) de varios elementos químicos. Las partículas son enfocadas en haces y disparadas sobre los tumores de cáncer, causando estragos en el sistema de autorreparación de su ADN, el cual es especialmente vulnerable a la radiación.

La terapia de protones viene cobrando popularidad porque a diferencia de los fotones en los rayos X, los protones depositan su mayor energía al final del camino y mueren dentro del tumor, causando menos daño en los tejidos sanos que yacen a lo largo de la trayectoria. Se usa para tratar tumores oculares, de próstata, de la base del cerebro y de la columna, entre otros. La terapia de electrones se prefiere para tumores superficiales como cáncer de la piel, mientras que la de neutrones rápidos se ha aplicado con éxito contra tumores de las glándulas salivares.

Nuevas terapias bajo estudio incluyen el uso de partículas más pesadas que los protones, tales como los iones de carbono, que son aun más agresivas contra el ADN del cáncer. También se estudia la posibilidad de los antiprotones, la antimateria de los protones, que podría entregar cuatro veces más dosis de energía destructora sobre el tumor.

En su mayoría, los haces de partículas son externos al paciente, aunque en la braquiterapia, un tratamiento interno, se colocan radioisótopos de corto alcance dentro de una fuente al lado del tumor, para que escapen por sí mismos. Se ha empleado satisfactoriamente en cánceres de seno, cervicales y de próstata, entre otros.

La medicina de diagnóstico es la que hasta ahora se ha visto más beneficiada con el uso de los aceleradores de partículas por la alta calidad de las imágenes y la baja dosis de radiación al paciente. Las tomografías de emisión de positrones (PET scan) y las tomografías computarizadas (CT) usan radioisótopos producidos en un ciclotrón, que son inyectados al paciente, y que se acumulan en el sitio de interés. A medida que los radioisótopos van decayendo, producen rayos gama, los cuales son detectados por una cámara, indicado su posición exacta.

Un cable superconductor diseñado para aceleradores de partículas permitió la creación de poderosos imanes para los escáners de resonancia magnetica MRI.

Un ejemplo de cómo la física de partículas de alta energía tuvo aplicaciones directas en la medicina, proviene del Gran Colisionador de Hadrones. El radiólogo Anthony Butler, en Nueva Zelanda, descubrió que uno de los chips electrónicos con los que el LHC detecta la carga y localización de las partículas que estudia, era perfecto para usar en los escáners CT. El chip, bautizado como Medipix, permite ver una imagen de rayos X a color

La farmacología también necesita los radioisótopos generados en los aceleradores de partículas. Durante el período de 15 años que toma el desarrollo de una medicina nueva, las técnicas de rayos X han resultado ser cruciales. Una de ellas, llamada cristalografía, es el método para determinar la arquitectura de los átomos dentro de un cristal en una proteína. La cristalografía se lleva a cabo en sincrotrones que producen haces de radiación de varias partes del espectro electromagnético, y permite apreciar cómo reaccionan las proteínas a los cambios moleculares en la etapa del diseño de la droga.

Desde el punto de vista de salud, los haces de electrones se usan también para irradiar los alimentos y matar bacterias como E. coli, salmonella y listeria. Es algo similar a la pasteurización de la leche, aunque en lugar de usar calor como fuente de energía, se usan los electrones del cobalto-60, entre otros elementos. Cabe anotar que al irradiar los alimentos, nunca entran en contacto directo con la fuente radiactiva (el cobalto).

Transmutación nuclear

Aparte de la medicina, prácticamente toda la electrónica digital moderna depende de los haces de partículas para la implantación de iones (átomos con carga eléctrica). Este es un proceso de la ingeniería de materiales por medio del cual los iones se aceleran dentro de un campo eléctrico y se disparan a toda velocidad contra un sólido, cambiando las propiedades químicas, físicas y eléctricas de ese material. La implantación de iones se usa en la fabricación de semiconductores, en acabados de metal y en investigaciones de materiales nuevos

Pero si los iones se aceleran a energías suficientes, son capaces de lograr una transmutación nuclear. Es decir, convertir un elemento X en otro elemento Y, como haría cualquier alquimista que se respete. La transmutación nuclear artificial ha sido propuesta como un mecanismo para reducir el volumen de los desperdicios nucleares radiactivos, convirtiéndolos en elementos estables. Así, en lugar de permanecer radiactivos durante 300.000 años, los trozos de uranio y plutonio usados en reactores nucleares tardarían menos de 500 años en perder su toxicidad, un lapso más manejable a la hora de planear repositorios que resistan intrusiones como la estabilidad geológica y el cambio climático. El proyecto Myrrha, en Bélgica, un acelerador de protones cuya construcción comenzó en 2015, es uno de los primeros aprobados para hacer uso de esta tecnología.

Los aceleradores de partículas podrían además producir energía nuclear a partir de materiales como el torio, que es más abundante en la naturaleza y que produce la mitad de desperdicios radiactivos. Y tienen un papel en potencia en el desarrollo de la energía de fusión nuclear, a través del uso de haces de iones para calentar el plasma de los reactores. 

Se ha demostrado también que un haz de electrones es efectivo para la purificación del agua, el tratamiento de aguas negras y la remoción de contaminantes en los gases de combustión. Entre las ventajas de irradiar el agua con electrones es que el proceso no necesita productos químicos, y que es efectivo para destruir nanopartículas y trazas de farmacéuticos que los tratamientos convencionales del agua no logran quitar del todo.

La Fuente de Neutrones por Espalación, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, Estados Unidos, ayuda a los investigadores a mejorar áreas como la medicina, la ciencia de materiales y la agricultura.

Aceleradores de partículas en arte y arqueología

Tal vez el uso más exótico de los aceleradores está en el arte y la arqueología, y es la razón por la cual hay uno en el sótano del Museo del Louvre en París, que sirve a más de 1.200 museos franceses. Sus haces de protones de cuatro millones de electronvoltios delicadamente sondean una amplia variedad de materiales: joyas, cerámicas, vidrio, aleaciones, monedas, estatuas, óleos y dibujos. Estas investigaciones ofrecen información sobre la proveniencia de los objetos, las antiguas fórmulas usadas para producirlos y las mejores maneras de protegerlos. De paso es posible detectar si la obra en cuestión es real o falsa.

El acelerador Fuente de Luz Sincrotrón de Brookhaven, en Nueva York, usa un avanzado detector de rayos X de alta velocidad que se ha empleado entre otras cosas para examinar cuadros importantes. Fue el caso del óleo Viejo con barbas del Museo de Rembrandt en Amsterdam, cuya atribución aún no estaba del todo clara. El examen, realizado en 2011, “peló” las capas de pintura del óleo, produciendo mapas de alta definición de los diferentes elementos químicos en la pintura, revelando grandes concentraciones de cobre que no eran evidentes en la superficie. El mapeo mostró las líneas del contorno de una figura joven y sin barbas, con una boina en la cabeza, una característica de los primeros autorretratos de Rembrandt. El maestro solía pintar sobre sus trabajos anteriores y el cobre corresponde, según los expertos, a la primera capa monocromática que el artista tradicionalmente usaba cuando creaba una obra.

La radiación de rayos X producida en los sincrotrones ha servido además en paleontología para estudiar fósiles tales como un diente del simio extinto Gigantopitecus, y entender la distribución de su esmalte. En otros casos se ha extraído información morfológica tridimensional de rocas que contienen fósiles muy mineralizados sin tener que destruirlos. Y se han comparado objetos antiguos y modernos tallados en colmillo de elefante, para entender cambios en la estructura del marfil con el tiempo, que ayuden a preservar las piezas arqueológicas. En otras disciplinas científicas, la misma tecnología permitió el análisis de mosaicos mesoamericanos, vitrales medievales, el aparato digestivo de una delicada amonita del Cretácico, y el único cerebro fosilizado conocido hasta el momento, un extraño pez paleozoico primo de los tiburones, descubierto en 2009.

Los aceleradores de partículas se usan también en espectrometría de masas, trabajando con haces de iones para medir la concentración de radioisótopos. El método es muy exacto porque cuenta los átomos uno por uno, en lugar de detectar su desintegración radiactiva, y es una tecnología importante en geología y climatología. Además, supone una sensibilidad superior para fechar objetos de hasta 50.000 años de edad a través de Carbono 14 (equivalente a hallar un grano de azúcar dentro de un estadio repleto de ella). Fue así como se fechó a la momia Ötzi, el Hombre de Hielo, que vivió en Europa cerca al 3300 aC.

Otros haces de electrones cumplen misiones muy diferentes, tales como imprimir los coloridos empaques de las cajas de cereal y otros alimentos. La tecnología es ambientalmente amigable porque usa tintas sólidas que no emiten solventes tóxicos en el agua o el aire. Los rayos de electrones también se usan en empaques de plástico. Funcionan sacando a los átomos de hidrógeno fuera de la cadena de polímeros, con lo cual la molécula se reduce de tamaño, juntándose con otras moléculas. El resultado es una tira de plástico muy resistente. Algo similar sucede con la fabricación de las llantas radiales.

La Fuente de Luz Coherente LINAC en el acelerador del Laboratorio Nacional SLAC, en Estados Unidos, produce pulsos ultrarrápidos de rayos X que son millones de veces más intensos que cualquier otro rayo X, para ver por dentro de las moléculas.

La aventura que comenzara en 1870 con el tubo de rayos catódicos, el primer acelerador de partículas, se ha convertido en uno de los más grandes desafíos del siglo XXI: la creación de los instrumentos del descubrimiento. Y es que, desde los 80.000 electronvoltios creados por el primer ciclotrón en 1930, hasta los 14 trillones que genera el LHC, la energía de estos ingenios va más allá de la ciencia básica, para servir prácticamente todas las necesidades de la sociedad moderna.

Imágenes usadas por cortesía del Departamento de Energía de Estados Unidos.

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