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Cómo funciona un sincrotrón, Javier Serrano (CERN)

Llegar a sincronizar la electrónica del CERN con una precisión de una mil millonésima de segundo es uno de los objetivos del equipo del físico e ingeniero Javier Serrano, quien nos explica también en qué áreas fuera del mundo de la física están utilizándose ya los sistemas que desarrollan. Descubre este enorme microscopio para observar la estructura de la materia.

Javier Serrano coordina un equipo de unas 20 personas que se dedica al diseño de componentes electrónicos para el control de los aceleradores de partículas en el CERN. Su especialidad son los sistemas de sincronización. Los aceleradores más potentes del CERN son sincrotones. Javier nos explica en esta entrevista cómo funciona un sincrotrón y cuáles son sus principales aplicaciones.

Como dice este investigador del CERN, la característica principal de los sincrotrones es que, a medida que las partículas van ganando energía, tienen más tendencia cada vez a ir rectas y a salirse del tubo, del acelerador de partículas. Entonces, en sincronía con la aceleración producida por las cavidades de radiofrecuencia, cada vez es necesario crear un campo magnético más fuerte para constreñir las partículas y conseguir que éstas se queden dentro de la cámara de vacío.

Cómo funciona un sincrotrón

Un sincrotrón es un acelerador de partículas con energía extremadamente altas, creando un haz de electrones que viaja casi a la velocidad de la luz. De hecho, los electrones pueden llegar a tener una energía máxima de 3.000 millones de electrovoltios a un 99,99% de la velocidad de la luz. Los electrones se introducen en un anillo de almacenamiento, que es un tubo circular de donde los electrones dan vueltas de forma sin cesar.

Esto es posible gracias a la creación de fuertes campos magnéticos y eléctricos y al aumento simultáneo de la fuerza de los campos. Se utilizan potentes electroimanes para enfocar y dirigir el haz dentro de una cámara de vacío en forma de anillo. De esta forma, se minimizan las colisiones con moléculas de aire y es posible almacenar el haz a altos niveles de energía durante muchas horas.

Hay apenas unos 50 sincrotrones en todo el mundo, veinte de los cuales se encuentran en territorio europeo, entre ellos el LHC del CERN. ALBA es el único sincrotrón en España y se sitúa en Cerdanyola del Vallès. La diferencia entre el sincrotrón ALBA y el LHC del CERN es, aparte de su magnitud, su capacidad de aceleración. Mientras ALBA acelera electrones, el LHC acelera partículas como los protones, cuyo peso es 2.000 veces mayor que el de los electrones. Además, ALBA tiene un perímetro de 268 metros, mientras que el LHC tiene una circunferencia de 28 kilómetros.

La sincronización que se genera en los laboratorios del CERN tiene numerosas aplicaciones fuera de la física. Por ejemplo, se utiliza en el sector de telecomunicaciones para la sincronización que requiere la tecnología 5G o en el mundo financiero para generar una trazabilidad temporal de operaciones financieras.

Aplicaciones del sincrotrón

En un principio, los sincrotrones se usaban exclusivamente en el campo de la física de partículas. Gracias a estos aceleradores de partículas, los científicos pueden estudiar las colisiones entre partículas subatómicas con energías cada vez más elevadas. Sin embargo, los físicos e ingenieros que hicieron funcionar los primeros sincrotrones observaron que  cuando los electrones empiezan a viajar en una órbita circular, liberan una radiación extremadamente intensa llamada luz de sincrotrón.

La luz de sincrotrón tiene muchas aplicaciones. Esta luz se puede emplear en un amplio abanico de técnicas de análisis e imágenes no invasivas, para la creación de imágenes de alta resolución.

Debido a las múltiples aplicaciones que aporta la luz de sincrotrón, muchos aceleradores de partículas funcionan fundamentalmente para realizar diversos experimentos científicos. De hecho, existen centros como la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF), que da servicio a unos 6.000 científicos de todo el mundo cada año, que trabajan en 900 experimentos diferentes.

La luz de sincrotrón se utiliza en múltiples industrias. Destacan los siguientes:

  • Investigación médica: microbiología, estudio de enfermedades, generación de imágenes de alta resolución y radioterapia contra el cáncer.
  • Exploración de minerales: análisis rápido de minerales para facilitar el procesamiento de minerales.
  • Ingeniería: imágenes de procesos industriales en tiempo real y imágenes de alta resolución de grietas y defectos en estructuras.