Acelerador de partículas en el Instituto de Física de la Universidad de Sao Paulo. Crédito:IFUSP
El uso de aceleradores de partículas no se limita a la investigación básica en física de altas energías. Para ello se utilizan aceleradores a gran escala e instrumentos gigantes como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). pero en medicina se utilizan aceleradores relativamente pequeños (diagnóstico por imagen, tratamiento para el cáncer), industria (esterilización de alimentos, escaneo de carga, Ingeniería Electrónica), y varios tipos de investigación (prospección petrolera, topografía arqueológica, análisis de obras de arte).
Cualquiera que sea el uso, controlar el caos y aumentar la eficiencia del flujo de partículas son los objetivos de la comunidad científica en este campo.
Recientemente se ha publicado en la revista un artículo que describe una nueva contribución en esta dirección Física de Plasmas por Meirielen Caetano de Sousa, un estudiante de posdoctorado con una beca de la Fundación de Investigación de São Paulo — FAPESP que trabaja en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) en Brasil, y su supervisor Iberê Luiz Caldas, Catedrático de IF-USP.
"Realizamos un estudio teórico con modelado y simulación numérica para investigar formas de controlar el caos dentro de los aceleradores y aumentar la velocidad máxima de las partículas aceleradas, "Dijo Sousa.
Los autores diseñaron un mecanismo basado en el despliegue de una barrera de transporte para confinar las partículas y evitar que se muevan de una región del acelerador a otra. Este procedimiento aún no se ha implementado en aceleradores ordinarios, pero se utiliza en tokamaks (reactores toroidales experimentales utilizados en la investigación de fusión nuclear), donde se evita que el plasma sobrecalentado por el confinamiento de partículas interactúe con las paredes del dispositivo.
"En tokamaks, la barrera de transporte se obtiene mediante electrodos insertados en el borde del plasma para alterar el campo eléctrico. Esto aún no se ha hecho en aceleradores, donde la solución habitual es agregar una onda electrostática con parámetros bien definidos al sistema, "dijo el investigador.
"Cuando la onda interactúa con las partículas, controla el caos en el sistema, pero crea múltiples barreras que no sellan la región con tanta precisión. Ésta es una solución menos robusta. En nuestro estudio, modelamos un sistema con una única barrera en líneas similares a lo que sucede en los tokamaks ".
Esta única barrera robusta se produciría mediante una perturbación magnética resonante. Al responder al RMP, el plasma está confinado a una sola región.
La imagen compara las trayectorias de partículas sin (a la izquierda) y con (a la derecha) la presencia de la barrera de transporte. El eje vertical es proporcional a la energía de las partículas en el acelerador. Los puntos azules en la figura de la izquierda representan posibles trayectorias de partículas. La energía aumenta y disminuye de forma irregular o caótica. Cuando se introduce la barrera de transporte, todas las trayectorias se vuelven regulares (malva, líneas rojas y verdes). Se puede hacer que todas las partículas en el acelerador tengan una energía similar, mejorar la eficiencia del haz de partículas. Crédito:Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas (IFUSP)
"Creamos el modelo y lo describimos matemáticamente. Las simulaciones numéricas demostraron que funciona. El siguiente paso es llevar la propuesta a físicos experimentales que puedan probarla en la práctica". "Dijo Sousa.
Las partículas son generadas por un cañón de electrones debido a la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo o aplicando un pulso de láser al plasma. Se aceleran mediante sucesivas inyecciones de energía de ondas electromagnéticas. La interacción entre las ondas y las partículas crea el caos. Una solución probada experimentalmente en aceleradores consiste en agregar otra ola con parámetros ajustados para compensar el proceso caótico.
"Esto se discutió en un artículo anterior publicado en 2012 en Revisión física E . El método funciona pero como se señaló, crea múltiples barreras de transporte que son susceptibles de perturbaciones, haciendo que el confinamiento de partículas sea menos efectivo. En este último estudio, modelamos una solución basada en una única barrera robusta, que sigue existiendo incluso en presencia de perturbaciones elevadas, "Dijo Sousa.
Sustitución de radioisótopos
La barrera de transporte controla el caos, permitiendo que la velocidad máxima de las partículas aumente y reduciendo la velocidad inicial requerida. Para una onda de baja amplitud, la velocidad final simulada aumentó un 7 por ciento, y la velocidad inicial cayó un 73 por ciento.
Para una onda de mayor amplitud, el sistema resultó caótico sin la barrera pero se regularizó con la barrera. La velocidad final aumentó un 3 por ciento, y la velocidad inicial cayó aproximadamente un 98 por ciento. Esto muestra que la principal contribución de la barrera de transporte es una reducción en la velocidad inicial requerida para las partículas cuando se inyectan en el acelerador.
"Lo que se espera de un acelerador es que todas las partículas lleguen juntas al final sin desviarse en el camino, y con más o menos la misma energía y velocidad. Si se comportan caóticamente, eso no pasa, y la viga no sirve para ninguna aplicación, "Dijo Caldas.
"La emisión de partículas para uso médico o industrial todavía se basa principalmente en el uso de materiales radiactivos. Esto causa una serie de problemas, como la contaminación, Desintegración del material emisor que requiere reposición, y alto costo. Los aceleradores evitan estos problemas y son un sustituto parcial de los radioisótopos. De ahí el gran interés en la optimización del funcionamiento del acelerador, ", dijo el supervisor de subvenciones de la FAPESP.
