Crean un acelerador de partículas en miniatura con aplicaciones médicas

Investigadores alemanes han desarrollado un acelerador de electrones que mide poco menos de medio milímetro de largo y 0,2 micrómetros de ancho, es decir, menos de una milésima de milímetro. Tiene aplicaciones en la investigación básica y permitirá crear nuevas herramientas de radioterapia. Entrevista con sus protagonistas, Peter Hommelhoff y Stefanie Kraus.

Desde el acelerador circular de partículas más grande del mundo, el Gran Colisionador de Hadrones, hasta las tomografías computarizadas en los hospitales, los aceleradores de partículas se han vuelto indispensables en muchas áreas de la investigación, la medicina y la industria.

Un pequeño acelerador de partículas revoluciona la obtención de energía

Las instalaciones de diferentes tamaños pueden utilizarse para investigar cuestiones fundamentales sobre la naturaleza, investigar nuevos materiales o tratar a personas con radioterapia.

Aunque Rolf Widerøe desarrolló el principio subyacente hace casi cien años, investigadores de todo el mundo continúan trabajando en nuevos conceptos para la aceleración de partículas. Entre otras cosas, con el objetivo de construir aceleradores más pequeños y baratos.

Peter Hommelhoff y Stefanie Kraus, de la Universidad de Erlangen-Núremberg, explican en esta entrevista con World of Physics cómo desarrollaron un nuevo acelerador de partículas en formato miniatura y qué aplicaciones promete.

¿Qué es un acelerador de partículas?

Peter Hommelhoff: en un acelerador de partículas, las partículas más pequeñas, como los electrones o los protones, alcanzan velocidades muy altas. Cuanto mayor es la velocidad, más energía tienen las partículas. En la mayoría de los casos, se utilizan campos eléctricos oscilantes para acelerarlos. Las partículas cargadas eléctricamente experimentan una fuerza del campo eléctrico. Hoy en día se utilizan principalmente campos con altas frecuencias en el rango de microondas. Las partículas se aceleran en canales especiales en el vacío. La forma del canal determina el campo interior. Por lo tanto, el acelerador se ajusta de manera que los paquetes de partículas experimenten una fuerza hacia adelante en su conjunto. Un acelerador de partículas también tiene la función de mantener unidos paquetes de partículas. El objetivo final es generar una corriente suficientemente grande de partículas aceleradas.

¿Qué diferentes tipos de aceleradores de partículas existen?

Hay dos tipos de aceleradores de partículas: lineales y circulares. En un acelerador lineal, las partículas se aceleran en línea recta, mientras que en los anulares las partículas se llevan en una trayectoria circular en un sistema en forma de anillo mediante campos magnéticos adicionales. Estos sistemas redondos tienen la ventaja de que las estructuras de aceleración se pueden utilizar varias veces para el mismo paquete de partículas. Esto permite que las partículas se aceleren a energías mucho más altas. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés) del centro de investigación CERN, es uno de estos aceleradores circulares. Allí, los protones o núcleos atómicos pesados se aceleran casi a la velocidad de la luz.

¿Por qué a la gente le importan las partículas aceleradas?

Las partículas aceleradas son importantes para muchas áreas y aplicaciones de investigación. En el LHC, por ejemplo, los físicos necesitan partículas muy aceleradas que colisionen entre sí para poder estudiar los componentes fundamentales de la materia. También se pueden generar rayos X utilizando partículas rápidas al hacerlas chocar con una pieza de metal. Esta radiación se utiliza posteriormente en medicina para diagnóstico y radioterapia, así como en ciencia de materiales. Además, es muy interesante la llamada radiación de sincrotrón, que emiten las partículas cuando son forzadas a seguir una trayectoria oscilante mediante campos magnéticos. Por ejemplo, físicos, químicos y biólogos utilizan fuentes de radiación de sincrotrón como PETRA III en el centro de investigación DESY de Hamburgo para investigar la estructura de moléculas o sólidos. También se puede utilizar esta radiación para estudiar procesos muy rápidos en las moléculas, de modo que se pueda crear una película de reacciones químicas.

¿Por qué los aceleradores de partículas tienen tamaños tan diferentes?

Esto se debe a que existe una ganancia máxima de energía por distancia que las partículas pueden experimentar al acelerar, el llamado gradiente de aceleración. Está limitado por el umbral de daño en el que los campos se vuelven tan grandes que la estructura del acelerador (en el caso de los aceleradores de microondas, su superficie) resulta dañada. Por lo tanto, la longitud de la trayectoria de aceleración depende de la energía de las partículas que se desea generar y del gradiente de aceleración máximo alcanzable. En general, cuanto mayor sea la energía deseada, más largo será el recorrido. Por ejemplo, el láser de rayos X europeo (el XFEL europeo en Hamburgo) o el LCLS en California tienen varios kilómetros de longitud. Pero en medicina también se utilizan aceleradores lineales, que normalmente tienen sólo un metro de longitud. En nuestra opinión, basta con que un acelerador tenga sólo un milímetro de largo.

Habéis construido un acelerador en miniatura. ¿Cómo funciona?

Hemos desarrollado un acelerador lineal muy pequeño para electrones que mide poco menos de medio milímetro de largo. Nuestro canal de aceleración está compuesto por nanoestructuras en forma de columnas dispuestas en dos filas. Este canal por el que se mueven los electrones tiene sólo 0,2 micrómetros de ancho, es decir, menos de una milésima de milímetro. Iluminamos la estructura desde arriba con pulsos de luz láser y creamos un campo eléctrico oscilante en el canal. Lo importante aquí es que la aceleración de partículas con láser sólo funciona con electrones que ya están en movimiento. Por tanto, tenemos una fuente de electrones delante de nuestro acelerador que produce electrones rápidos. Junto con la electrónica necesaria, la nanoestructura y el sistema láser, este es nuestro acelerador de partículas.

¿Cómo se hace la estructura del acelerador?

Stefanie Kraus: fabricamos nuestra estructura de aceleración a partir de silicio, que podemos considerar como un dieléctrico para la luz láser del infrarrojo cercano. Estos dieléctricos, entre los que se encuentra el vidrio, por ejemplo, conducen poca o ninguna electricidad. Dado que el material no absorbe la luz, el umbral de daño es significativamente mayor en comparación con el metal de los aceleradores convencionales. Esto nos permite crear campos eléctricos muy fuertes con el sistema láser y así acelerar los electrones con más fuerza. Para producir la nanoestructura utilizamos la llamada fotolitografía. Este proceso también se utiliza en la producción de teléfonos inteligentes y chips de computadora. Utilizamos un proceso en seco para grabar específicamente estructuras diminutas en el dieléctrico.

¿Qué cosas nuevas habéis logrado ahora?

Peter Hommelhoff: en 2013, en paralelo con investigadores de la Universidad de Stanford en California, demostramos por primera vez que mediante luz láser se pueden acelerar electrones a través de estructuras muy simples. Sin embargo, las partículas aún no estaban unidas por fuerzas ópticas. Unos años más tarde, colegas de Darmstadt demostraron teóricamente que debería ser posible mantener unidas las partículas mediante láseres y una nanoestructura adecuada.

Stefanie Kraus: luego tuvimos que trabajar mucho y al final dio sus frutos. En 2021, investigamos cómo se pueden mantener unidos los haces de electrones y desarrollamos un canal correspondiente a través del cual luego se guían los electrones. El siguiente paso fue seguir desarrollando la nanoestructura para que las partículas se aceleraran de manera óptima y se mantuvieran juntas al mismo tiempo. Para ello, llevamos a cabo simulaciones complejas. El siguiente obstáculo fue fabricar las estructuras correctamente. Y finalmente pudimos comprobar qué tan bien funciona nuestro nuevo acelerador. Observamos que la energía de los electrones aumentó en un 43 por ciento. Esto lo dejó claro: ¡nuestro acelerador funciona!

¿Para qué se podría utilizar el mini acelerador en el futuro?

Peter Hommelhoff: esta tecnología puede tener muchas aplicaciones en la investigación básica y en la medicina. Esperamos utilizar esto para crear nuevas herramientas de radioterapia, porque al dejar que nuestras partículas aceleradas colisionen con un trozo de metal, podríamos generar los rayos X necesarios para la radioterapia. Por ejemplo, estamos en contacto con empresas de tecnología médica para una primera aplicación en un dispositivo compacto, idealmente del tamaño de un teléfono móvil. Las personas con cáncer de piel podrían potencialmente tratarse con radioterapia. Si todo el sistema estuviera integrado en un único chip, podría instalarse en un endoscopio como la punta de un bolígrafo. Incluso sería posible irradiar tumores directamente en el cuerpo de forma mínimamente invasiva.

¿Cuáles son los próximos pasos en su investigación?

Stefanie Kraus: en primer lugar, es importante seguir investigando el material de las nanoestructuras para aumentar el umbral de daño y así lograr una mayor aceleración. En lugar de silicio podríamos utilizar vidrio, es decir, dióxido de silicio. Pero para que esto suceda, sería necesario ajustar una serie de pasos en el proceso de fabricación. También nos gustaría optimizar aún más la conducción de los electrones a través del canal. También estamos todavía limitados por nuestro sistema láser y nos gustaría trabajar en ello en el futuro.

Peter Hommelhoff: un serio problema en este momento es que la cantidad de partículas aceleradas es demasiado pequeña. Debido a que las estructuras de nuestros aceleradores son muy pequeñas, solo caben unos pocos electrones en ellas. Por eso estamos trabajando para aumentar el flujo de partículas. Por ejemplo, con una mejor fuente de electrones, la corriente podría aumentarse directamente. Pero si se cambia la fuente, también hay que ajustar el acelerador y viceversa. Por este motivo, en nuestra investigación sólo podemos dar pequeños pasos. Pero lo bueno de la física es que con estos pequeños y a veces lentos pasos al final puedes llegar muy lejos.

Esta entrevista se publicó originalmente en la revista alemana Welt der Physik, editada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación y la Sociedad Alemana de Física. Se reproduce con autorización.