Trabajan en el diseño del primer acelerador lineal de partículas mexicano

A más de 80 años de que se construyó el primer acelerador de partículas para estudio de la física en Reino Unido y a más de 60 años de que se instaló el primer acelerador en México, un grupo de jóvenes investigadores y estudiantes de posgrado adscritos a instituciones tanto mexicanas como extranjeras trabajan en el diseño del primer acelerador de partículas mexicano.

Se trata de un acelerador lineal de electrones de una energía de 80 a 120 megaelectronvoltios (MeV), que tendrá un costo aproximado de 2.5 millones de dólares y su construcción tomará alrededor de tres años, detallaron investigadores miembros de la Comunidad Mexicana de Aceleradores de Partículas (CMAP).

Una breve mirada a la historia de los aceleradores

“En la década de los años treinta, fue el auge de los aceleradores de partículas, dispositivos fundamentales para los estudios de física nuclear, diseñados para realizar experimentos con el objetivo de entender cómo era el núcleo atómico”, explica la doctora Gisela Mateos González, en su texto «Aceleradores de partículas», publicado en 2011 en la revista Ciencia y Desarrollo.

“El desarrollo de estos instrumentos llevó a los físicos a crear una nueva práctica científica que se iría diferenciando de la física nuclear. Paralelamente, la observación de varias partículas recién descubiertas (neutrón y positrón en 1932, y mesotrón en 1937) y su explicación teórica dio origen, después de la Segunda Guerra Mundial, a la física de partículas elementales y altas energías”, afirma en el mismo artículo.

Debido al impacto que tuvo la creación de los aceleradores de partículas en todo el mundo, en 1952, apenas dos décadas después de su invención, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) adquirió un acelerador de tipo Van de Graaff de una energía de apenas dos megaelectronvoltios, que para la época era lo más avanzado, así lo relata María de la Paz Ramos Lara en su libro Experiencia mexicana en aceleradores de partículas: investigación y beneficios en la sociedad mexicana.

En esta obra se destacan los beneficios que ha tenido la adquisición de este y otros aceleradores, así como el desarrollo en la investigación y la tecnología. Asimismo, se subraya la participación que han tenido diversos científicos mexicanos en experimentos que se realizan en los aceleradores de partículas más importantes y grandes del mundo como en el Laboratorio Nacional Fermi (Fermilab) o en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN).

No obstante, uno de los grandes pendientes de la comunidad científica y tecnológica mexicana era desarrollar su propio acelerador de partículas, ya que los aceleradores que se encuentran en el país fueron diseñados y fabricados en otras naciones.

¿Por qué son importantes los aceleradores?

Los aceleradores de partículas, además de utilizarse para hacer investigación básica y estudiar, entre otras cosas, el origen del universo, también se han convertido en herramientas indispensables para la industria y la medicina, indicó el físicoArturo Fernández, investigador de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla (BUAP).

Por ejemplo, en medicina se utilizan para la fabricación de radiofármacos que se emplean para el diagnóstico de enfermedades, así como para el tratamiento de algunos padecimientos. Además, en los últimos años se han empleado para terapias contra el cáncer.

Mientras que en la industria, los aceleradores se utilizan para estudiar los materiales. Por ejemplo, en la industria automotriz, la mejor forma de analizar la homogeneidad de la densidad del material con que están hechos los frenos es a través de radiación generada en aceleradores, indicó.

Mexicanos altamente capacitados

Por tal motivo, la generación e innovación en materia de aceleradores es fundamental; sin embargo, son instrumentos complejos y su diseño y construcción requiere de alta tecnología en la cual intervienen muchos campos de la ingeniería.

Con el objetivo de ponerse a la vanguardia en materia de aceleradores de partículas, desde hace algunos años el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) becó a varios estudiantes mexicanos para que cursaran un posgrado en el extranjero y aprendieran de esta tecnología.

Hoy esos jóvenes que realizaron o están realizando su investigación en instituciones como el CERN, Jefferson Lab o Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) han creado la Comunidad Mexicana de Aceleradores de Partículas (CMAP).

Se une el talento

Esta comunidad tiene como objetivo impulsar el desarrollo de la ciencia y tecnología de aceleradores de partículas en México, afirmó el doctor Georfrey Humberto Israel Maury Cuna, profesor investigador del Departamento de Física de la Universidad de Guanajuato y miembro de dicha comunidad.

En entrevista para la Agencia Informativa Conacyt, el candidato a miembro del Sistema Nacional de Investigadores (SNI) indicó que la comunidad está conformada por aproximadamente 20 integrantes (entre especialistas y estudiantes de posgrado) pertenecientes a instituciones tanto mexicanas como extranjeras.

Se trata de las universidades de Guanajuato, Autónoma de Sinaloa (UAS), Nacional Autónoma de México (UNAM) y el Centro de Investigación y de Estudios Avanzados (Cinvestav); además del Jefferson Lab, Universidad de Old Dominion, la Universidad de Texas A&M, CERN y J-PARC, abundó.

El primer acelerador mexicano

Esta comunidad busca construir un acelerador lineal de electrones, que será el primero en su tipo hecho por mexicanos, dijo Maury Cuna.

El doctor Bruce Yee Rendón, quien es secretario de la Comunidad Mexicana de Aceleradores de Partículas, detalló que se trata de un acelerador de electrones que alcanzará una energía de 80 a 120 megaelectronvoltios.

“Los electrones son generados usando el efecto fotoeléctrico dentro de dispositivos llamados ‘fuentes o pistola de electrones’. Una vez creados, estos son conducidos en una cavidad de radiofrecuencia para ser acelerados y, al mismo tiempo, el haz se divide en partes llamadas bunches; si se quiere acelerar a más altas energías, el haz se introduce de nuevo en otra cavidad”, pormenorizó.

Durante todo ese proceso hay una serie de imanes (cuadrupolos, solenoides) que enfocan el haz, así como otros dispositivos que permiten monitorear las partículas hasta su destino final.

«Para optimizar costos, se planea usar cavidades y magnetos no superconductores. El acelerador mexicano lineal de electrones funcionará en dos modos: haz de partículas y haz de radiación sincrotrón”, explicó.

Para este acelerador, los electrones podrán usarse de forma directa o se podrán convertir en rayos gamma (fotones) a través de blanco fijo (colisionarlos contra un material que tenga un alto número atómico, como el tungsteno).

Por ahora se acelerarán solo electrones, pero se tiene contemplado que en el futuro se construya un acelerador de protones, abundó Yee Rendón, quien fue becario Conacyt y ahora es candidato al SNI.

¿Para qué se utilizará este acelerador?

Las aplicaciones dependerán del modo de operación, por ejemplo, en el modo de haz de partículas, es decir, cuando se utilicen los electrones, servirá para procesos industriales, polimerización, esterilización de alimentos y diversos materiales y tratamiento de aguas residuales, explicó Maury Cuna.

Mientras que en su modo de radiación sincrotrón, es decir, cuando se utilicen fotones, se empleará para la radioterapia, que es una forma de tratamiento basada en el empleo de radiaciones ionizantes, que son utilizadas para atender enfermedades como el cáncer.

También se podrá utilizar para la calibración de detectores de partículas y para la espectroscopia, que es una técnica utilizada por los físicos y químicos que emplea la radiación para obtener datos sobre la estructura y las propiedades de la materia.

En este modo también se podrá emplear para la cristalografía, que es la disciplina que estudia la forma y estructura de los minerales cuando se cristalizan, indicó el especialista en aceleradores.

Acelerar el desarrollo científico y tecnológico mexicano

A decir de los integrantes de la Comunidad Mexicana de Aceleradores de Partículas, el hecho de que México pueda crear sus propios aceleradores de partículas impulsará el desarrollo científico y tecnológico del país.

“Los aceleradores de partículas son un motor para el desarrollo de ciencia y tecnología en el mundo. Sus aplicaciones son tan variadas como la imaginación lo permita y van desde el tratamiento con radioterapia a pacientes con cáncer, fabricación de maquillaje, los chips que usamos en nuestros teléfonos, computadoras hasta aplicaciones en seguridad nacional”, subrayó Bruce Yee Rendón.

Por ejemplo, resaltó, once de los diecisiete laboratorios nacionales que hay en Estados Unidos utilizan esta tecnología de aceleradores, lo cual les ha permitido ser punta de lanza en el desarrollo tecnológico mundial.

Además, dado que en México no existe el desarrollo de aceleradores, como “sustitutos” se usan fuentes radioactivas, las cuales representan un riesgo en su manejo, indicó.

Otra razón para desarrollar los aceleradores en México es disminuir su costo, pues los equipos usados en física médica o seguridad nacional son importados y su costo es bastante elevado.

“Poder construir en nuestro país nuestros propios aceleradores reducirá su costo considerablemente”, comentó el especialista quien actualmente realiza un posdoctorado en J-PARC.

Además de disminuir los costos e impulsar el desarrollo científico y tecnológico en el país, podría ser una excelente oportunidad para acercar la industria a la academia mexicana.

“Tener un acelerador de esta clase incentiva la generación de empleos e impulsa la economía en esa área, como ya ha ocurrido con laboratorios como Fermilab o el CERN, ya que las empresas buscan los servicios de los laboratorios”, indicó Yee Rendón.

Por todas estas razones es importante que México tenga su propio acelerador de partículas. Se empezará con uno lineal y solo de electrones de una energía de 80 a 120 megaelectronvoltios, la cual es suficiente para aplicaciones comerciales y médicas.

Hay que tomar en cuenta que la mayoría de los aceleradores en el mundo es para aplicaciones industriales o médicas y solo un porcentaje menor es para investigación en física. En estos últimos requieren energías mucho mayores en las que se habla de teraelectronvoltios (TeV), como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) que funciona a una energía de 14 TeV.

«Quizás años más tarde se podría mejorar y ampliar, ya una vez que los mexicanos hayan adquirido mayor experiencia en el desarrollo de aceleradores, de hecho se planea que en un futuro sea el inyector, la primera parte en la cadena de aceleración, para un booster o una fuente de luz sincrotrón mexicana», adelantó Bruce Yee Rendón.

Fuente: CONACYT.