Mundo, 9 de enero 2025 (ATB Digital).- «Simulamos la luz de las estrellas para descubrir las propiedades de la materia» explica Caterina Biscari, doctora en física y directora del Laboratorio de Luz de Sincrotrón ALBA. Por esta instalación, situada en Cerdanyola del Vallès junto al campus de la Universidad Autónoma de Barcelona, pasan cada año miles de científicos para arrojar luz a sus experimentos. Esta última frase se puede leer tanto en sentido metafórico como literal, puesto que, para conseguir resultados, las instalaciones de ALBA ofrecen a los investigadores luz: una luz millones de veces más brillante que la del Sol.
En las entrañas de ALBA, rodeado por paredes de cemento especial de más de un metro de grosor, se encuentra un acelerador de partículas circular. Este instrumento es una maravilla tecnológica capaz de tomar partículas subatómicas, en este caso electrones, concentrarlas hasta alcanzar el grosor de un cabello humano y acelerarlas hasta un porcentaje considerable de la velocidad de la luz. Una vez alcanzan esa velocidad endiablada, los electrones son canalizados por una tubería curvada con un diámetro de 270 metros y, mientras giran, van liberando radiación que los investigadores pueden emplear en sus experimentos.
Dentro de la bóveda del edificio principal del ALBA hay una estructura encapsulada con paredes de cemento de un metro de grosor donde se encuentra el sincrotrón.
Pero simular la luz de las estrellas no es barato: cada día que está operativo, el sincrotrón consume la misma energía que un hogar durante un año. Por ello, han de aprovechar el tiempo que está en funcionamiento para realizar la mayor cantidad de experimentos que puedan. En la actualidad, el sincrotrón consta de 11 líneas de luz, es decir, del acelerador surgen 11 haces que pueden aprovecharse al mismo tiempo para experimentos distintos. Cada una de estas líneas de luz tiene propiedades ligeramente distintas que las convierten en una especie de potentísimos microscopios o en gigantescas máquinas de rayos X. Pero, ¿para qué se necesita tanta potencia? ¿Y de dónde surge esta idea?
La luz de sincrotrón, una feliz coincidencia y un experimento con muchas luces
La radiación o luz de sincrotrón fue descubierta de forma accidental en 1947 por el técnico de laboratorio Floyd Haber mientras los investigadores Herbert Pollock y Robert Langmuir probaban un prototipo de sincrotrón. El prototipo, con el que intentaban entender el efecto de los imanes sobre las partículas subatómicas, disponía de un tubo transparente, el cual permitía observar lo que ocurría en el interior del dispositivo.
El técnico, Haber, observaba el instrumento desde detrás de la seguridad de un muro de hormigón mediante un sistema de espejos. Cuando Pollock y Langmuir encendieron la fuente de electrones y los canalizaron por el tubo curvado, Haber, observó un arco de luz que salía despedida del instrumento y comunicó a los investigadores el problema. El primer instinto de todos los presentes fue apagar el dispositivo.
Los investigadores, sin comprender lo que había visto Haber, teorizaron sobre a qué se podía deber esa luz. Tras realizar unos cálculos, descartaron la radiación de Cherenkov, la luz azul que se observa al encender un reactor nuclear. Y, tras un gran ejercicio matemático, Pollock y Langmuir descubrieron que se encontraban ante algo totalmente distinto, un quebradero de cabeza para los aceleradores de partículas circulares.
La luz de sincrotrón suponía una pérdida de energía para los aceleradores y no había nada que se pudiese hacer para solucionarlo. Sin embargo, con el tiempo los científicos pensaron que, ya que era imposible evitar las pérdidas, quizá sí que fuese posible aprovechar esos haces de luz para realizar investigaciones. Con esta idea en mente se creó, en 1968, Tantalus, el primer anillo de almacenamiento de electrones destinado a utilizar la luz de sincrotrón para investigación. Desde entonces se han construido otros mucho más potentes, como el ALBA de Barcelona, que acelera los electrones hasta 3 gigaelectronvoltios (GeV).
Disección de un sincrotrón
Un sincrotrón está formado esencialmente por tres partes: Una fuente de electrones, un anillo de aceleración y un anillo de mantenimiento. En el caso del ALBA, la fuente de electrones es una pastilla de wolframio del tamaño de un disco de hockey, que funciona de un modo similar al de las antiguas televisiones de tubos catódicos. En este punto, en vez de emplearse para mostrar imágenes, los electrones se aceleran mediante electroimanes hasta velocidades muy elevadas, del orden de 100 megaelectronvoltios (MeV).
De ahí, los electrones se envían al acelerador circular, de unos 250 metros de diámetro, donde se emplean imanes de una potencia colosal para seguir aumentando la velocidad de los electrones y juntarlos en un haz del grosor de un cabello humano. Una vez acelerados a 3 GeV, los electrones se transfieren al anillo de almacenamiento, otro conducto circular de 268.8 metros de diámetro con condiciones de vacío en su interior. Allí, los diminutos electrones dan 3 vueltas al circuito por segundo y, en el proceso, liberan la preciada luz de sincrotrón.
Fotografía de un imán sextupolar, que se emplea para juntar los electrones en el anillo de aceleración del sincrotrón. Los electrones, al tener todos cargas negativas, se repelen unos a otros y tienden a esparcirse, pero este tipo de imanes contrarresta el efecto.
Del anillo de almacenamiento surgen tuberías rectas que llevan a cada uno de los instrumentos de medición. En la actualidad, ALBA contiene 11 de estos instrumentos, pero se espera que en los próximos años se pongan en funcionamiento 3 más. Gracias a estos instrumentos los investigadores obtienen la estructura de bacterias y virus, escáneres del interior de fósiles o análisis detallados de nuevos materiales.
El brillante futuro de ALBA
En 2032 está programada una gran actualización para la infraestructura del acelerador de partículas. Empleando nuevos y mejorados dispositivos e imanes, esperan conseguir reducir el tamaño del haz de electrones a una décima parte del actual. Según explicaba Francis Pérez, jefe de la división de aceleradores, el mayor reto para lograr la actualización era adecuarse a la infraestructura actual y a las condiciones del acelerador de partículas, pero tras una inversión de 7,5 millones de euros, han conseguido avanzar en la creación de prototipos y en breve podrán comenzar a hacer pruebas.
Uno de los instrumentos de medida o “líneas de luz” del sincrotrón ALBA. En él se sitúan las muestras para analizar. Está conectado con el anillo de almacenamiento del sincrotrón.
Al conseguir comprimir aún más los electrones, los resultados que podrán obtener con sus líneas de luz serán todavía más precisos. Además, un menor tamaño permitirá la construcción de 4 líneas más, (además de las 3 que ya están previstas) que permitirán medir todavía más propiedades de la materia.
En definitiva, en el interior de ALBA hay una de las maravillas de la ciencia moderna, una tecnología que permite aprovechar la luz de las estrellas para escudriñar las estructuras más diminutas que conforman todo lo que nos rodea. Y, para lograrlo, cientos de personas trabajan en sus instalaciones 24 horas del día.
FUENTE: MEDIOS INTERNACIONALES