Acelerador de partículas de bolsillo

Unos científicos han conseguido un grado de miniaturización asombroso para un dispositivo que cumple con las condiciones necesarias para ser definido como un acelerador de partículas.

Cuando la gente oye «acelerador de partículas», la mayoría suele pensar en el Gran Colisionador de Hadrones o LHC de Ginebra, el túnel en forma de anillo de unos 27 kilómetros de largo que investigadores de todo el mundo utilizan para investigar partículas elementales desconocidas. Sin embargo, estos enormes aceleradores de partículas son la excepción. Es más probable que nos encontremos con ellos en otros lugares a los que acudimos en nuestra vida cotidiana, por ejemplo en un centro médico durante un escaneo mediante ciertas técnicas de obtención de imágenes internas del cuerpo, o durante una sesión de radioterapia para tratar tumores. Pero incluso entonces, los aparatos miden varios metros y siguen siendo bastante voluminosos.

En un intento de mejorar y reducir el tamaño de los dispositivos existentes, ingenieros y físicos de todas partes del mundo trabajan en la aceleración láser dieléctrica, también conocida como aceleración nanofotónica. Las estructuras que utilizan los dispositivos de esta clase tienen apenas 0,5 milímetros de longitud, y el canal por el que se aceleran los electrones solo tiene unos 225 nanómetros de ancho, lo que hace que estos aceleradores sean tan pequeños como un chip de ordenador.

El uso de láseres para acelerar electrones dentro de una nanoestructura fotónica constituye una alternativa prometedora con el potencial de hacer bajar de manera espectacular los costes y hacer que los dispositivos sean considerablemente menos voluminosos.

En tales dispositivos, las partículas se aceleran mediante pulsos láser ultracortos que iluminan las nanoestructuras. La meta práctica final sería poder colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente en la zona afectada dentro del cuerpo, tal como señala Tomas Chlouba, de la Universidad Friedrich-Alexander (FAU) de Erlangen-Núremberg en Alemania, quien encabeza un equipo que ha dado un paso importante hacia ese objetivo, al demostrar un acelerador de electrones nanofotónico. «Por primera vez, podemos hablar realmente de un acelerador de partículas en un chip», subraya entusiasmado Roy Shiloh, del equipo de investigación y desarrollo.

Hasta ahora no se había demostrado ningún aumento sustancial de la energía. En otras palabras, no se había demostrado que los electrones hubieran aumentado realmente su velocidad de forma significativa.

Ahora, el equipo de la Universidad Friedrich-Alexander lo ha conseguido con el primer acelerador nanofotónico de electrones que merece ser llamado así.

El microchip con las estructuras, colocado encima de una moneda pequeña, para tener una referencia visual clara de lo miniaturizado que está el dispositivo. (Imagen: FAU / Julian Litzel)

Hace poco más de dos años, el equipo logró su primer gran avance: consiguió utilizar un método de los primeros tiempos de la teoría de la aceleración de partículas para controlar el flujo de electrones en un canal de vacío a larga distancia. Este fue el primer gran paso en el camino hacia la construcción de un acelerador de partículas. A partir de aquí, todo lo que se necesitaba para obtener grandes cantidades de energía era aceleración.

«Utilizando esta técnica, ahora hemos conseguido no solo guiar electrones, sino también acelerarlos en estas estructuras nanofabricadas a lo largo de medio milímetro», explica Stefanie Kraus, del equipo de investigación y desarrollo. Aunque a muchos no les parezca un gran logro, es un gran éxito para el campo de la física de aceleradores. «Hemos ganado una energía de 12 kiloelectronvoltios. Es decir, un 43% más de energía», explica Leon Brückner, del equipo de investigación y desarrollo.

Sin embargo, esta demostración es solo el principio. Ahora el objetivo es aumentar la energía y la corriente de electrones hasta tal punto de que el acelerador resultante de partículas en un chip sea suficiente para aplicaciones en medicina.

Lo que han conseguido los físicos de la Universidad Friedrich-Alexander ha sido demostrado casi simultáneamente por colegas de la Universidad de Stanford (Estados Unidos): sus resultados están siendo revisados, pero todo apunta a que el éxito ha sido también total.

Ahora, los dos equipos están trabajando juntos en hacer realidad un modelo de “acelerador en un chip» que sea apto para aplicaciones médicas.

El equipo de Chlouba expone los detalles técnicos de su avance en la revista académica Nature, bajo el título “Coherent nanophotonic electron accelerator”. (Fuente: NCYT de Amazings)