El control del caos en los aceleradores de partículas

Un estudio a cargo de científicos brasileños sugiere una alternativa para aumentar la eficiencia del flujo de partículas en estos dispositivos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El uso de los aceleradores de partículas no se restringe a la investigación fundamental en física de altas energías. Los aparatos de gran porte o incluso gigantescos como el Large Hadron Collider (LHC) se emplean con esta finalidad. Pero también existen aceleradores relativamente pequeños, utilizados en medicina (para la realización de estudios por imágenes o en el tratamiento de tumores), en la industria (en la esterilización de alimentos, la inspección de cargas o en ingeniería electrónica) o en distintos tipos de investigaciones (prospección de petróleo, investigación arqueológica y estudio de obras de arte).

Cualquiera sea el objetivo, el control del caos y el aumento de la eficiencia del flujo de partículas constituyen objetivos de la comunidad científica que trabaja en esta área.

Y un nuevo aporte en tal sentido puede verse en un estudio realizado por Meirielen Caetano de Sousa, posdoctoranda con beca de la FAPESP en el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IFUSP), en Brasil, y su supervisor Iberê Luiz Caldas, profesor titular del IFUSP. Los resultados del trabajo de ambos salieron publicados en la revista Physics of Plasmas.

“Lo que hicimos fue un estudio teórico, con modelado y simulación numérica, con miras a controlar el caos en el interior de aceleradores y aumentar la velocidad máxima de las partículas aceleradas”, declaró De Sousa a Agência FAPESP.

El mecanismo ideado se basó en la utilización de una barrera de transporte que confina a las partículas, impidiendo su paso de una región del acelerador a otra. Este procedimiento, que aún no se ha puesto en práctica en aceleradores comunes, se ha observado en tokamaks (reactores en formato toroidal utilizados en fusión nuclear), en los cuales el confinamiento de las partículas impide que el plasma supercaliente entre en contacto con las paredes del aparato.

“En los tokamaks, la barrera de transporte se obtiene con electrodos aplicados en los bordes del plasma que alteran el campo eléctrico. En los aceleradores esto aún no se ha hecho. Lo que ya se ha concretado fue añadirle al sistema una onda electrostática con parámetros bien definidos”, dijo De Sousa.

“Al interactuar con las partículas, esa onda logra controlar el caos, pero genera múltiples barreras que no sellan la región de manera tan precisa. Se trata de una solución menos robusta. En nuestro estudio modelamos un sistema con una sola barrera, a ejemplo de lo que sucede en los tokamaks”, dijo.

Esta barrera única robusta sería producida mediante una perturbación magnética resonante. Al responder a la perturbación, el plasma queda confinado en una sola región.

“Creamos el modelo, lo describimos matemáticamente y las simulaciones numéricas demostraron que el mismo funciona. Ahora hay que llevarles esta propuesta a los físicos experimentales para poner a prueba esta solución en la práctica”, dijo la investigadora.

Un cañón de electrones genera las partículas debido a la diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo, o por la aplicación de un pulso de laser en el plasma. Y se las acelera con ondas electromagnéticas que les aportan sucesivamente energía. Pero es precisamente la interacción entre las ondas y las partículas lo que genera el caos. Una solución testeada experimentalmente en aceleradores consiste en añadir otra onda con parámetros ajustados para compensar el proceso caótico.

“Abordamos esto en un artículo anterior, publicado en 2012 en Physical Review Y. Ese método funciona; pero, tal como ya lo he mencionado, crea múltiples barreras de transporte que son susceptibles a perturbaciones, y esto le resta eficacia al confinamiento de las partículas. Lo que hemos modelado ahora es una solución basada en una sola barrera robusta, que sigue existiendo aun en presencia de perturbaciones elevadas”, dijo De Sousa.

El reemplazo de los radioisótopos

La barrera de transporte controla el caos, permite que la velocidad máxima que alcanzan las partículas aumente y que la velocidad inicial necesaria disminuya. Para una onda de baja amplitud, la velocidad final simulada aumentó un 7% y la velocidad inicial disminuyó un 73%.

Para una onda de amplitud más elevada, el comportamiento sin barrera se mostró bastante caótico. Con la introducción de la barrera se regularizó. La velocidad final subió un 3% y la velocidad inicial bajó alrededor de un 98%. Esto muestra que el principal aporte de la barrera de transporte es la disminución de la velocidad inicial que las partículas deben tener al inyectárselas 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 más o menos con la misma energía y la misma velocidad. Si se comportan en forma caótica, esto no sucede. Y el haz deja de servir para cualquier aplicación”, dijo Caldas.

“Hoy en día, la emisión de partículas para uso médico o industrial se basa aún sobremanera en el empleo de materiales radiactivos. Esto genera varios problemas, tales como la contaminación, el decaimiento del material emisor y la consiguiente necesidad de reponerlo y con altos costos. Los aceleradores evitan esos problemas. La utilización de radioisótopos está reemplazándose parcialmente con los aceleradores. De allí el gran interés en optimizar el funcionamiento de estos aparatos”, dijo el profesor del IFUSP.

El artículo intitulado Improving particle bean acceleration in plasmas (https://doi.org/10.1063/1.5017508), de Meirielen Caetano de Sousa e Iberê Luiz Caldas, está publicado en el siguiente enlace: aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5017508. 

La figura que aparece a la izquierda muestra las trayectorias originales de las partículas sin la barrera de transporte. En tanto, la figura que aparece a la derecha muestra las trayectorias modificadas por la presencia de la barrera de transporte. El eje vertical es proporcional a la energía de las partículas en el acelerador. En la figura de la izquierda, los puntos azules representan algunas trayectorias posibles de las partículas. La energía aumenta y disminuye de forma irregular o caótica. Esto hace que cada partícula en el acelerador exhiba una energía distinta y que la eficiencia del haz de partículas quede bastante reducida. Asimismo, las partículas con comportamiento caótico pueden alcanzar las paredes del aparato y dañarlas. Cuando se introduce la barrera de transporte, todas las trayectorias se vuelven regulares (las líneas moradas, rojas y verdes en la figura de la derecha). Es posible hacer que las partículas adquieran energía en forma consistente y que todas las partículas en el acelerador tengan una energía similar aumentando la eficiencia del haz de partículas. Al principio las partículas tienen una velocidad cercana a cero. Y se las acelera hasta que llegan a alrededor del 43% de la velocidad de la luz.