Carta Universitaria No. 4
Título : A la caza de las partículas elementales
Autor : Yino Castellanos
Sección: Investigación
Fecha : Marzo 2005

El sincrotón fue desarrollado en 1945 por el físico soviético Vladimir Veksler en compañía del estadounidense Edwin Mc Millan.

A la caza de las partículas elementales

Los aceleradores de partículas se han convertido en los mejores aliados de la ciencia para develar la estructura profunda de la materia y del universo. Es la primera vez que en la UN se dicta un curso en esta especialidad de la Física.

A cien años de la publicación de los tres artículos que, bajo la firma de Albert Einstein, revolucionaron el mundo de la física (efecto fotoeléctrico, movimiento browniano, y relatividad especial), las escurridizas partículas que estructuran el universo material siguen apareciendo para revelar, con su comportamiento, los secretos que el cosmos ha guardado celosamente desde los albores del tiempo.

Protones, neutrinos, positrones, quarks y otras partículas elementales, han tenido su biografía indefectiblemente unida a la de los aceleradores de partículas. Éstos últimos son dispositivos creados en laboratorios para "inyectar" la energía suficiente a dichas partículas con el fin de acelerarlas y provocar la aparición de nuevos miembros de la "particular" familia subatómica.

La curiosidad y el afán por construir un modelo coherente de la realidad, han llevado al ser humano a diseñar un verdadero álbum con estas "celebridades", que a saber de los físicos, son un elemento común a todas las cosas; aunque dispuesto de maneras diferentes.

Con el propósito de arrojar luz sobre la inexpugnable y misteriosa intimidad de la naturaleza, la física de los aceleradores de partículas continúa cosechando grandes logros; aunque su aporte no sea tan reconocido como el de otros desarrollos en Física teórica o experimental, menos en el país. "Ésta es una de las razones para dictar por primera vez el curso en la UN y proporcionar información confiable sobre la base teórica en la que descansa la física de estos dispositivos, su utilidad, y su estructura interna", afirma el profesor Javier Cardona , doctorado en esta materia por la Universidad del Estado de Nueva York.

Tecnología de punta

Desde la aparición en 1932 del acelerador de Cockcroft y Walton, hasta la construcción del Tevatrón de Fermilab -hoy el acelerador de más alta energía en el mundo- el principio que rige estos artefactos es el mismo: aprovechar adecuadamente las leyes de la física para darle el impulso inicial a las partículas, en ambientes simulados y controlados que exigen alta ingeniería.

Los aceleradores de partículas pueden ser ovalados, redondos, y los hay desde pocos metros de extensión (como el Cockcroft), hasta de 27 kilómetros (como el Large Electron-Positron Collider, LEP). En general, estos dispositivos son formas tubulares alargadas a través de las cuales viajan las partículas.

La ley fundamental es: "Toda partícula cargada se desvía por la acción de un campo magnético", como anota el profesor Cardona. Si este campo cubre una región lo suficientemente grande, y cumple algunas especificaciones técnicas de alta complejidad, puede mantenerse a una partícula "orbitando" alrededor del campo.

Para alcanzar este resultado se deben tener en cuenta la carga y la masa de la partícula. En últimas, se trata de retenerla orbitando mientras se acelera con el incremento paulatino de la energía que se le transmite a intervalos precisos. Algo similar a lo que ocurre con un niño en un columpio: una vez impulsado con leves y precisos empujones, puede alcanzar grandes oscilaciones si la energía que se le suministra es permanente y dosificada.

Este principio, aunado a la imaginación científica, al conocimiento acumulado durante más de un siglo de experimentación, y al diseño de materiales aplicados a la ingeniería de los aceleradores, llevan estas partículas a límites de velocidad casi relativistas (cerca de 300.000 kilómetros en un segundo).

Paradójicamente, con el arribo de la partícula a este límite, la masa aumenta, lo que supone un problema técnico para los aceleradores. El "inconveniente" confirma que el conocimiento científico avanza con la resolución de problemas parciales y precisos. "La física de los aceleradores ofrece un sin fin de cuestiones apasionantes aún por resolver. En el curso se plantean con relación a su historia, al diseño y a las nuevas partículas que se esperan encontrar", anota Cardona.

Ciclotrones, sincrotones, aceleradores lineales, anillos de almacenamiento y, el más reciente, el LEP -instalado en un túnel circular subterráneo de 27 kilómetros en el Consejo Europeo, al oeste de Ginebra, para la Investigación Nuclear - revelan desarrollos casi fantásticos, como las once mil veces por segundo que un haz de electrones y de positrones "tarda" en rodear el circuito completo del LEP.

La colisión de las partículas "domesticadas" en los aceleradores, a velocidades cercanas a la de la luz, no sólo sirve para descubrir aquellas ocultas tras la colisión, sino para producir cantidades impresionantes de energía y para generar eventos como el que ocurrió luego de que naciera el universo. Este experimento se realizó en 1985 en el acelerador Tevatrón, cerca a Chicago, cuando la máquina lanzó un billón de protones a una velocidad límite, produciendo un tipo de colisión única hasta el momento.

Esta costosa tecnología no beneficia solamente a los científicos preocupados por descubrir las claves de la materia. El tratamiento del cáncer por irradiación de partículas, así como el estudio de las funciones cerebrales por radiación de positrones, se cuentan entre las múltiples aplicaciones derivadas de la física de los aceleradores, un campo en el que estamos lejos "incluso de nuestros vecinos, como los brasileños", señala Cardona.

Sin embargo, con su iniciativa y la de los doce estudiantes que este semestre hacen parte del curso, se espera crear expectativa y formar científicos calificados en el complejo y fascinante mundo de estas extraordinarias máquinas.

yacastellanosc@unal.edu.co