Átomos en colisión para descubrir el secreto de la materia

Los aceleradores de partículas son enormes artefactos que utilizan campos electromagnéticos para estimular a gran velocidad partículas cargadas de electricidad con la finalidad de que choquen entre sí. De esta manera, se generan nuevas partículas que son muy inestables y duran solo fracciones de segundo. 

A partir de ellas, los investigadores descubren nuevos elementos químicos, desarrollan terapias contra el cáncer que ya han salvado vidas y realizan investigaciones de base. Uno de estos aceleradores de partículas se encuentra en el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en la ciudad alemana de Darmstadt, al sur de Fráncfort.

En el futuro, la ciudad albergará otra instalación con capacidad para miles de investigadores de todo el mundo.

En Darmstadt se está construyendo la Instalación para la Investigación con Iones y Antiprotones "Fair" (Facility for Antiproton and Ion Research), uno de los mayores proyectos de investigación del mundo.

En el nuevo anillo acelerador, de 1,1 kilómetros de circunferencia, los iones, es decir, los átomos cargados eléctricamente y retenidos por gigantescos imanes, se mueven en el vacío del túnel a una velocidad cercana a la de la luz. La luz recorre en el vacío casi 300.000 kilómetros en un segundo. 

Según Paolo Giubellino, director científico del GSI y de la "Fair", en el futuro la instalación tendrá capacidad para unos 3.000 científicos. "Miles de investigadores de todo el mundo llevan años intentando conseguir un turno para realizar experimentos en nuestro centro", enfatiza Giubellino. 

Lo especial de "Fair", prosigue, es que ofrece posibilidades de investigación muy amplias, lo que no es el caso del acelerador de partículas LHC, mucho más grande, del Centro Europeo de Física de Partículas (CERN) en Ginebra, que recientemente se ha vuelto a poner en marcha. Según Giubellino, de acuerdo a sus propias experiencias, el enfoque del CERN es mucho más estrecho.

Con el nuevo anillo, que según los planes actuales estará terminado en 2027, y la instalación ya existente del GSI, el centro contará con dos aceleradores de anillo y un acelerador lineal. Los elementos químicos podrán ser acelerados a 285.000 kilómetros por segundo antes de ser utilizados en los experimentos de laboratorio.

"El acelerador lineal es algo así como la primera marcha de un coche", explica Ingo Peter, portavoz de GSI. El haz de partículas es controlado mediante imanes y acelerado con placas colocadas en línea. "La instalación es la única en el mundo que puede acelerar todos los elementos", precisa Peter.

Los aceleradores de partículas contribuyen a que los científicos también descubran nuevos elementos. "Si un núcleo colisiona con otro, se puede formar un nuevo núcleo atómico", señala la portavoz del GSI, Jutta Leroudier. "Los elementos encontrados de esta manera tienen que ser confirmados en otros laboratorios", añade. Acto seguido, estos son reconocidos por un panel independiente.

En el GSI ya se han detectado seis nuevos elementos que ya figuran en la tabla periódica bajo los números atómicos 107 a 112. "Además, se pueden generar temperaturas, presiones y densidades que solo se dan en el universo. En combinación con nuestros experimentos, se pueden entender los fenómenos del universo", enfatiza la portavoz.

Con detectores del tamaño de una casa, los científicos quieren resolver el misterio de la materia en la investigación de la física básica. "El término materia aún no se ha aclarado en absoluto. Se trata de entender la estructura de las piezas, cómo funcionan los mecanismos de la materia", señala Leroudier.

Varios cientos de investigadores tratan de resolver el enigma de la masa total. Según el Centro Helmholtz, uno de los grandes detectores genera campos magnéticos tan fuertes que podrían levantar 480 toneladas de hierro.

En colaboración con la Agencia Espacial Europea (ESA), también se están llevando a cabo investigaciones para misiones espaciales. "Queremos investigar los efectos de las radiaciones en posibles misiones tripuladas y los posibles riesgos para el material", explica Leroudier. 

Según Peter, de 1997 a 2008, el acelerador lineal también se utilizó para tratar tumores cerebrales más profundos. 450 pacientes fueron tratados con haces de iones que mataron los tumores con una precisión milimétrica, una terapia que ahora se utiliza para en clínicas de Alemania y otros países. "Aquí seguimos desarrollando la terapia", añade Peter, y señala que también se está estudiando algo así para los tumores en órganos móviles o para las arritmias cardíacas. 

El centro proporciona la infraestructura para grupos de investigación externos, cuyos experimentos sin embargo tienen que ser financiados por ellos mismos. En el caso de las solicitudes, un grupo de expertos evalúa su pertinencia y luego hace una recomendación. 

En la actualidad, las actividades están paralizadas. Sin embargo, se están probando materiales, entre ellos, los imanes de alto rendimiento para la "Fair". Además, se está construyendo un nuevo y moderno centro de control y un centro informático de alta eficiencia energética de unos seis pisos de altura para procesar las enormes cantidades de datos previstas. Según GSI, en él se podrán realizar más de 5.000 millones de operaciones informáticas por segundo.

Según el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania, el marco de costes actual se sitúa en torno a los 3.100 millones de euros, cifra significativamente superior a la especificada antes del inicio de la construcción. 

Debido a la pandemia de coronavirus, a la evolución de los precios de los materiales de construcción y a la interrupción de las cadenas de suministro mundiales, en 2021 se llevó a cabo una evaluación externa que, sin embargo, no pudo tener en cuenta todavía la guerra de Ucrania.

La inflación, la guerra, la pandemia y los cuellos de botella en los suministros: el director técnico de GSI y "Fair", Jörg Blaurock, está seguro de que la construcción del centro no se mantendrá dentro del presupuesto. "Tendrá que haber un aumento de costes. Es de esperar debido a la situación general", afirma el especialista en proyectos de construcción a gran escala. 

Además, añade, la cooperación con Rusia se ha congelado a causa de las sanciones. Según Blaurock, Rusia iba a suministrar principalmente imanes, los cuales, sin embargo, son reemplazables, por lo que la situación aún no es crítica. Su colega Giubellino, director del GSI, está seguro de que las instalaciones podrán utilizarse para investigar principios científicos que den lugar a premios Nobel. 

dpa