Como bloques de construcción fundamentales de la materia, los protones son parte de todas las cosas que nos rodean. En el Instituto Paul Scherrer PSI, sin embargo, salen de su papel habitual y se despliegan para generar otras partículas, a saber, neutrones y muones, que posteriormente se utilizan para estudiar materiales. Con este objetivo, primero hay que acelerar los protones. Un papel importante en esto lo desempeña una instalación de acelerador de tres etapas, en medio del cual se encuentra el acelerador conocido como Inyector 2.

Tres aceleradores dispuestos en serie componen la instalación para la aceleración de protones en PSI:comienza con la forma de hongo, acelerador Cockcroft-Walton de aproximadamente 10 metros de altura, en el que los protones se generan y preaceleran. Termina con el gran acelerador de protones, un acelerador de anillo, que en jerga técnica se llama ciclotrón. Aquí los protones se aceleran al 80 por ciento de la velocidad de la luz. Entre soportes Inyector 2, un acelerador de anillo más pequeño, igualmente clasificado como ciclotrón. Su trabajo como preacelerador es entregar protones al ciclotrón grande con el 38 por ciento de la velocidad de la luz. Como los engranajes de un automóvil los aceleradores se construyen uno sobre el otro consecutivamente. Piense en Cockcroft-Walton como primera marcha:los protones obtienen una aceleración inicial a lo largo de un tramo recto. Inyector 2, segunda marcha:la velocidad de los protones aumenta a medida que circulan por el anillo. El gran acelerador, tercera marcha:nuevamente dando vueltas en círculos, los protones se llevan a la velocidad final deseada. Como conducir un coche, simplemente no puede prescindir de primera y segunda marcha.

Después de que se generan los protones, son guiados a través de un vacío dentro del Cockcroft-Walton para que no choquen con moléculas de aire. Aquí el vacío no significa simplemente una cámara evacuada, ya que siempre queda un poco de aire. Una aspiradora puede tener distinta calidad:cuanto mejor sea la aspiradora, menos gas contiene. El vacío que rodea a los protones no es exactamente de la misma calidad en todas partes mientras atraviesan las tres instalaciones. El vacío mantenido en el inyector 2, por ejemplo, corresponde a una mil millonésima parte de la presión atmosférica; en otras palabras, sólo se encuentran presentes trazas de gas extremadamente pequeñas.

Cada uno de los tres aceleradores está alojado en su propia sala. A primera vista El inyector 2 aparece en sus 12 metros de altura, habitación casi casi cuadrada, en forma de imanes alternos de color turquesa, cuatro en total, y cuatro resonadores de color plateado, todos aproximadamente tan altos como un hombre, que están alineados radialmente. Desde arriba, esta disposición de imanes y resonadores parece un pastel ya cortado en porciones, con las puntas de las rodajas cortadas.

Los resonadores producen un campo eléctrico alterno por el cual los protones se aceleran cada vez más. Y los imanes aseguran que los protones circulen alrededor del centro del inyector 80 veces. El campo magnético varía desde el medio hacia el exterior de tal manera que los protones, que inician su circulación en el interior, siempre necesita la misma cantidad de tiempo para completar una vuelta, aunque el camino que toman es cada vez más largo.

En el acelerador ningún protón va solo

Los protones no son solitarios en el acelerador. Viajan en pequeños grupos o paquetes. Dado que los protones tienen una carga eléctrica positiva, se repelen y, a lo largo de su trayectoria, alejarse unos de otros dentro de esta agrupación hasta que se establezca un efecto importante:con el tiempo, según Joachim Grillenberger, responsable del funcionamiento de la instalación de protones, el rayo se enfoca a sí mismo. Lo que eso significa es que después de diez o veinte vueltas alrededor del ring, los grupos de protones se agrupan y adoptan una forma de bola, que luego retienen.

Para ajustar el haz de protones en el inyector 2, se utilizan colimadores. Estos componentes están hechos principalmente de cobre, tener una apertura, y se colocan en lugares adecuados a lo largo de la trayectoria en espiral de los protones. Solo los protones que se mueven en la trayectoria ideal pasan a través de la apertura de los colimadores, y todos los demás protones son absorbidos por el cobre.

Los tres caminos de los protones

Después de acelerarse en el inyector 2, tres caminos están abiertos al haz de protones. La mayor parte del haz de protones se guía hacia adelante para una mayor aceleración en el ciclotrón grande. Los protones acelerados golpean primero un dispositivo objetivo que consiste en discos de carbono giratorios, generando piones y muones en el proceso. Luego continúan su camino, finalmente chocando con un bloque de metal para producir neutrones. Mientras piones, muones, y los neutrones son en sí mismos fundamentales para la investigación, ellos también, por otra parte, ayudar a los investigadores a comprender mejor la composición de los materiales. Una parte muy pequeña de la corriente del haz, alrededor del dos por ciento, se puede enviar por un segundo camino inmediatamente después del Inyector 2. Estos protones producen luego radionucleidos que se aplican en el desarrollo de productos farmacéuticos. Estos medicamentos se utilizan en el diagnóstico del cáncer. El tercer camino conduce a un callejón sin salida donde los protones simplemente se absorben. Los protones siempre se canalizan de esta manera si carecen de las propiedades adecuadas para los otros dos caminos:los protones son, en cuyo caso, demasiado lento o demasiado rápido.

Mirando hacia atrás

Cuando la instalación de protones comenzó a funcionar en 1974, el objetivo principal era utilizar los protones para generar piones. Se pensó que los piones ayudarían a abordar las cuestiones entonces actuales en física de partículas. Desde ese tiempo, la instalación se ha adaptado una y otra vez para satisfacer las necesidades de la ciencia. Al principio, la instalación produjo una corriente de haz de 100 microamperios, extraordinariamente alto para las condiciones en ese momento. Joachim Grillenberger:Hoy, alrededor de 40 años después, se puede generar una corriente de haz 24 veces mayor. Naturalmente, esto solo es posible porque la instalación siempre fue mejorada y desarrollada. La mejora constante produjo un récord mundial para la instalación de protones que ha tenido desde 1994:entrega el haz de protones más fuerte del mundo.

Para mantenerse a la vanguardia de la tecnología de aceleradores, no puedes dormir en tus laureles. El inyector 2 es un eslabón en la cadena de la instalación del acelerador de protones de tres etapas. También debe mantenerse siempre actualizado tecnológicamente para continuar cumpliendo con las altas demandas de rendimiento y confiabilidad operativa. dice Joachim Grillenberger. En el presente, junto con colegas, está liderando un proyecto que hará que Injector 2 sea aún más capaz:en 2018 y 2019, se instalarán nuevos resonadores, y se modernizará toda la cadena de amplificación. Como resultado, las partículas se acelerarán en un lapso de tiempo aún más corto y se perderán menos protones en el proceso de aceleración, lo que aumentará el rendimiento de toda la instalación. Por lo tanto, los expertos en aceleradores también están contribuyendo a la modernización de la fuente de neutrones de espalación SINQ, que depende de los protones de la instalación del acelerador para generar sus neutrones.