Hasta 1932 el estudio de las reacciones nucleares estuvo limitado por el tipo de proyectil que podía usarse para bombardear los núcleos. Solo las partículas alfa de los nucleidos radiactivos naturalmente podrían provocar estas reacciones. El progreso fue limitado porque las partículas alfa solo se podían obtener en haces de baja intensidad y con energías cinéticas bastante bajas. Estas partículas de energía relativamente baja podrían producir transmutaciones solo en elementos ligeros. Cuando los elementos más pesados se bombardean con partículas alfa, la fuerza eléctrica repulsiva ejercida por la mayor carga del núcleo pesado la partícula alfa, también cargada positivamente, dificulta que la partícula alcance el núcleo. La probabilidad de que se produzca una reacción nuclear se vuelve entonces muy pequeña o nula. Dado que el interés por las reacciones nucleares era grande, la comunidad científica internacional buscó métodos para aumentar la energía de las partículas cargadas para poder usarlas como proyectiles.

Una posibilidad era trabajar con partículas como el protón o el deuterón que tienen una sola carga positiva. Al tener una sola carga, estas partículas experimentarían fuerzas eléctricas repulsivas más pequeñas que las partículas alfa en la vecindad de un núcleo y, por lo tanto, tendrían más éxito a la hora de acercarse lo suficiente como para producir transmutaciones, incluso a núcleos pesados (y por lo tanto de alta carga).

Se podían obtener protones o deuterones a partir de tubos de rayos positivos, pero sus energías eran bastante bajas. Se necesitaba algún dispositivo para acelerar estas partículas a energías más altas, como Rutherford fue uno de los primeros en decir. Estos dispositivos también presentaban otras ventajas: el experimentador podría controlar la velocidad (y la energía) de las partículas bombardeadoras y se podrían obtener rayos de proyectiles muy intensos. De esta forma sería posible encontrar cómo las reacciones nucleares dependen de la energía y naturaleza de las partículas incidentes.

Desde 1930 se han ideado y desarrollado muchos dispositivos para acelerar partículas cargadas. En cada caso, las partículas utilizadas (electrones, protones, deuterones, partículas o iones pesados) son aceleradas por un campo eléctrico. En algunos casos, se utiliza un campo magnético para controlar la trayectoria de las partículas, es decir, para dirigirlas. El tipo más simple tiene un solo paso de alto voltaje de aproximadamente diez millones de voltios, lo que aumenta las energías de electrones o protones a 10 MeV [1].

Otro tipo de acelerador tiene una larga serie de pasos de bajo voltaje aplicados a medida que la partícula viaja en línea recta. Algunas de estas máquinas producen energías de electrones de hasta 20 GeV (1 GeV = 10⁹ eV). Un tercer tipo general utiliza campos magnéticos para mantener las partículas en una trayectoria circular, devolviéndolas una y otra vez a los mismos campos de aceleración de bajo voltaje. La primera máquina de este tipo fue el ciclotrón. Algunos de estos aceleradores producen electrones de 7 GeV o protones de 500 GeV. Gran Colisionador de Hadrones del CERN, produce haces de 6,5 TeV (1 TeV = 10¹² eV), y colisiones de 13 TeV. Los aceleradores se han convertido en herramientas básicas para la investigación en física nuclear y de altas energías. Los aceleradores también se utilizan en la producción de isótopos radiactivos y como fuentes de radiación, tanto para fines médicos como industriales.

Estas «máquinas» se encuentran entre las estructuras más complejas y grandiosas jamás construidas. De hecho, son monumentos a la imaginación y el ingenio humanos, la capacidad de razonar y colaborar en grupos, algunos de miles de personas [2], en proyectos pacíficos que fomentan la comprensión de la naturaleza. Básicamente, estas «máquinas» son herramientas para ayudar a la comunidad científica a descubrir la estructura de las partículas nucleares, las fuerzas que las mantienen unidas, la composición última de la materia [3] y, en fin, del universo.

Con el descubrimiento del neutrón en 1932, se creía que solo tres partículas «elementales» eran los componentes básicos de la materia: el protón, el neutrón y el electrón. Pero surgió la necesidad de incorporar otras nuevas, como los neutrinos. A medida que se dispuso de aceleradores de alta energía, se descubrieron partículas «elementales» adicionales, una tras otra. Estas partículas se agrupan en «familias» según sus propiedades. La mayoría de estas partículas existen solo brevemente; la vida útil típica es del orden de 10^-8 segundos o menos. Surgió un campo completamente nuevo, la física de altas energías cuyo objeto es discernir el orden y la estructura detrás de la gran cantidad de partículas «elementales» que se han descubierto [4].

Notas:

[1] Para el detalle de la interacción de los campos eléctrico y magnético con las partículas cargadas en movimiento, así como qué unidades se emplean, puede ser interesante consultar Aceleradores y electrón-voltios de nuestra serie Electromagnetismo.

[2] Se estima que en la construcción y operación del Gran Colisionador de Hadrones se ha superado ampliamente la cifra de 10.000 personas de alta cualificación en ciencia e ingeniería implicadas.

[3] Materia en sentido muy amplio del término, lo que incluye ordinaria, oscura y cualquier otra.

[4] Una descripción introductoria a lo que sabemos ahora mismo puede encontrarse en nuestro Del modelo estándar.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance