Una supermáquina del tamaño de una moneda: cómo es el acelerador de partículas más pequeño del mundo

Los aceleradores de partículas que conocemos miden kilómetros de largo y están localizados bajo tierra para su mejor funcionamiento. Las mismas deben ser grandes para generar la suficiente energía que permita acelerar electrones y estrellar átomos.

Pero ahora, físicos alemanes han creado un acelerador funcional de partículas cuyo tamaño es comparable al de una moneda que aprovecha la nanofotónica, para impulsar electrones a través de un tubo diminuto.

En comparación con los aceleradores convencionales, este nuevo dispositivo demuestra que la aceleración de partículas es posible a muy pequeña escala. Incluso podría llevar a que los aceleradores pequeños proliferen en aplicaciones que van desde dispositivos médicos hasta conjuntos de análisis científicos portátiles.

Incluso, podrían abrir la puerta al uso de diminutos aceleradores de partículas dentro de pacientes humanos.

La nueva máquina, conocida como acelerador de electrones nanofotónicos (NEA), consta de un pequeño microchip que alberga un tubo de vacío aún más pequeño formado por miles de “pilares” individuales.

Desarrollado por la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg (FAU) en Alemania, este dispositivo nanofotónico tiene un tubo de aceleración principal de aproximadamente 0,5 milímetros (0,02 pulgadas) de largo, lo que resulta unas 54 millones de veces más corto que el anillo de 27 kilómetros (16,8 millas) de largo que forma el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN en Suiza, el más grande del mundo.

Esta máquina es el acelerador de partículas más poderoso jamás construído, que ha descubierto una variedad de nuevas partículas, incluido el bosón de Higgs (o partícula de Dios), neutrinos fantasmales , el mesón encantador y la misteriosa partícula X.

El interior del pequeño túnel tiene sólo unos 225 nanómetros de ancho. Por contexto, el cabello humano tiene entre 80.000 y 100.000 nanómetros de espesor, según el Instituto Nacional de Nanotecnología de los EEUU. Y utiliza pilares nanoestructurados y rayos láser para acelerar electrones a través de un pequeño canal de vacío. En las pruebas, el acelerador a escala de chip aumentó la energía de los electrones, lo que demuestra la viabilidad del concepto.

En un nuevo estudio, publicado el 18 de octubre en la revista Nature, investigadores de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg (FAU) en Alemania utilizaron el pequeño artilugio para acelerar electrones desde un valor energético de 28,4 kiloelectrones voltios a 40,7 keV, que es un aumento de alrededor del 43%.

Es la primera vez que se activa con éxito un acelerador de electrones nanofotónicos, propuesto por primera vez en 2015 , escribieron los investigadores en un comunicado. “Por primera vez, realmente podemos hablar de un acelerador de partículas en un microchip”, dijo en el comunicado el coautor del estudio Roy Shiloh , físico de la FAU.

El LHC utiliza más de 9000 imanes para crear un campo magnético que acelera las partículas a aproximadamente el 99,9% de la velocidad de la luz. El NEA también crea un campo magnético, pero funciona disparando rayos de luz a los pilares del tubo de vacío; esto amplifica la energía de la manera correcta, pero el campo de energía resultante es mucho más débil.

Los electrones acelerados por el NEA sólo tienen alrededor de una millonésima parte de la energía que tienen las partículas aceleradas por el LHC. Sin embargo, los investigadores creen que pueden mejorar el diseño de la NEA utilizando materiales alternativos o apilando varios tubos uno al lado del otro, lo que podría acelerar aún más las partículas. Aún así, nunca alcanzarán los mismos niveles de energía que los grandes colisionadores.

Puede que eso no sea malo, dado que el objetivo principal de la creación de estos aceleradores es utilizar la energía emitida por los electrones acelerados en tratamientos médicos específicos que pueden reemplazar formas más dañinas de radioterapia, que se utiliza para matar células cancerosas.

“La aplicación soñada sería colocar un acelerador de partículas en un endoscopio para poder administrar radioterapia directamente en la zona afectada del cuerpo. Pero esto todavía está muy lejos”, concluyó Tomáš Chlouba, físico de la FAU.