El CERN presenta las aplicaciones tecnológicas y médicas de sus experimentos en física nuclear

Existen varios miles de tipos de núcleos atómicos -naturales y artificiales, más estables y más inestables-, que surgen de la combinación de las partículas que lo integran (protones y neutrones). Estudiar los núcleos atómicos permite descubrir una gran variedad de nuevos fenómenos, explorar las interacciones que condicionan su comportamiento y comprender sus propiedades colectivas. Durante la conferencia, Chiaveri y García Borge explicarán cómo n_TOF e ISOLDE ofrecen al CERN la oportunidad única de estudiar estos fenómenos, en la frontera entre la física de partículas y la nuclear.

Hacia una energía nuclear más segura y limpia

Enrico Chiaveri hablará del Neutron Time of Flight (n_TOF), una instalación que comenzó a operar en 2001 y que permite llevar a cabo mediciones muy precisas en procesos relacionados con neutrones.

En palabras de Chiaveri, “el estudio de reacciones inducidas por neutrones tiene gran importancia en una amplia variedad de disciplinas científicas”. Es de aplicación “en la tecnología nuclear, lo que incluye la transmutación de los residuos nucleares, los sistemas accionados por aceleradores y la investigación del ciclo del combustible nuclear”. Además, “en fase experimental, también se utiliza para el tratamiento del cáncer con boro [terapia por captura de neutrones en boro, o BNCT por sus siglas en inglés]”. En este tipo de radioterapia, todavía en fase de estudio para tumores de cabeza y cuello, se inyecta en el organismo del paciente una solución con boro, que se acumula en las células tumorales. Posteriormente, el paciente recibe radioterapia con neutrones, que reaccionan al boro y destruyen las células cancerosas sin apenas interactuar con las normales. Como consecuencia, los efectos secundarios de la radioterapia se minimizarían.

Así pues, esta investigación básica podría contribuir al futuro desarrollo y mejora de tecnologías médicas (resonancias magnéticas, fotografías de rayos gamma, terapias oncológicas…) y a la producción de una energía nuclear más segura, limpia y fácil de eliminar. En astrofísica nuclear, además, ayudaría a comprender cómo se formaron los elementos químicos y los núcleos presentes en el Universo.

En n_TOF, un pulso de protones impacta en un blanco y libera un haz de neutrones con características muy determinadas. El tiempo que este haz tarda en recorrer los 200 metros que separan el blanco de espalación de los detectores situados en un área experimental define la energía de los neutrones, y condiciona los experimentos de los 150 investigadores, procedentes de más de 40 instituciones internacionales, que trabajan en el proyecto. Ese tiempo de vuelo del haz de neutrones es el que da nombre a la instalación.

Dos características que distinguen a n_TOF son, por un lado, el amplio rango de energía de neutrones que alcanza y, por otro, el elevado número de neutrones que obtiene por cada pulso de protones. La reciente creación de una segunda área experimental 20 metros por encima del blanco ha aumentado esta capacidad de n_TOF, ya que ofrece el flujo instantáneo de neutrones más intenso del mundo.

Núcleos exóticos para terapias oncológicas

María José García Borge, que ya visitó la Fundación BBVA en 2014 para hablar del impacto social de la física nuclear dentro del ciclo de conferencias ‘Los secretos de las partículas: La física fundamental en la vida cotidiana’, regresa para profundizar en el proyecto ISOLDE, que en 2017 cumplirá cincuenta años y que es por tanto una de las instalaciones más longevas del CERN.

ISOLDE es una instalación que acoge a casi 500 científicos de todo el mundo, pionera en la investigación de núcleos exóticos. Empleando aceleradores de partículas, ISOLDE genera haces de iones radiactivos (partículas cargadas que se pueden desintegrar en otros núcleos) de una gran diversidad de elementos químicos, que se emplean en investigación básica de múltiples campos de investigación. “Debido a su energía, el tiempo de transporte de estos haces es de 14 nanosegundos, es decir, casi instantáneo; en ese tiempo, solo se desintegra un ion en un millón o uno entre un billón”, dice García Borge.

Conocer las claves de su estructura, dinámica y propiedades repercutirá positivamente en campos tan diversos como la astrofísica, ayudando a recrear las reacciones nucleares que tienen lugar en las estrellas; la física de materiales, para el desarrollo de nuevos materiales semiconductores; o la biofísica y la medicina: “Las investigaciones en ISOLDE se centran en la producción de nuevos isótopos para diagnóstico de cáncer y medicina. La idea es usar el mismo elemento químico para diagnóstico y terapia”, explica.

Más de mil especies nucleares están disponibles en ISOLDE para llevar a cabo estudios en la frontera del conocimiento. El nuevo proyecto HIE-ISOLDE, que empezó a funcionar hace ahora un año, amplía aún más las oportunidades científicas de esta instalación. HIE-ISOLDE incrementa la intensidad y la energía de aceleración de los haces exóticos, lo que previsiblemente conducirá a nuevos descubrimientos.