Por Irene Altenmüller, NDR.de
Partículas diminutas son aceleradas a casi la velocidad de la luz y luego se hacen colisionar. Destellos de luz extremadamente brillantes permiten a los científicos explorar la estructura molecular de la materia. Para muchos, los procesos que ocurren en el campus de DESY en Hamburgo‑Bahrenfeld son difíciles de imaginar. Fundada el 18 de diciembre de 1959, la instalación con sus tubos de acelerador es hoy una de las más importantes del mundo para investigar la materia. En DESY, científicos de todo el planeta buscan los bloques básicos del universo, descifran moléculas proteicas y analizan materiales con propiedades totalmente nuevas.
El 18 de diciembre de 1959, el entonces alcalde de Hamburgo, Max Brauer, y el ministro federal de Energía Nuclear y Agua, Siegfried Balke, firmaron en el ayuntamiento un tratado estatal para crear la "Fundación Alemana del Sincrotrón Electrónico", abreviada como DESY. En aquel momento sólo unos pocos países, entre ellos EE. UU., disponían de aceleradores de partículas; el proyecto se estimó en 100 millones de marcos, de los cuales el 90 % sería financiado por el Ministerio Federal y el 10 % por la ciudad de Hamburgo.
En busca de las partículas más pequeñas
¿Por qué tanto esfuerzo? Los investigadores habían descubierto que existen muchos más bloques diminutos de materia de los que se pensaba, formando un verdadero "zoológico de partículas". A finales de los años 50, la comunidad científica alemana decidió buscar los componentes más fundamentales del universo. El sitio elegido en Hamburgo‑Bahrenfeld había sido anteriormente un campo de maniobras y aeropuerto militar.
1964: comienza la investigación del "zoológico de partículas"
Tras más de cuatro años de construcción, el 25 de febrero de 1964, poco antes de la medianoche, un reducido grupo de físicos se reunió en la sala de control del nuevo acelerador. Al accionar el interruptor definitivo, el primer haz de electrones comenzó a circular unas 8 000 veces por el tubo de vacío circular del acelerador. Los electrones, impulsados a casi la velocidad de la luz, son guiados por potentes electroimanes que los mantienen en órbita. Cuando alcanzan la energía suficiente, se hacen colisionar de frente, generando partículas efímeras que los detectores hacen visibles.
Más aceleradores se suman a DESY
El acelerador original, que dio nombre a todo el centro, fue sólo el punto de partida. En las décadas siguientes se construyeron otros aparatos, como DORIS, PETRA y HERA, este último con un anillo de 3,6 km, el más largo del sitio. Hoy, el desarrollo, construcción y operación de aceleradores constituye una de las tres áreas principales de investigación en DESY, junto a la física de partículas y la investigación con fotones.
El gluón, descubierto en DESY
En 1979, en el acelerador PETRA, los científicos detectaron por primera vez el gluón, la partícula portadora de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro interacciones fundamentales (junto a la gravedad, la fuerza electromagnética y la fuerza débil). El gluón actúa como "pegamento" que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones.
Explorar el nanomundo con destellos de luz
Los electrones acelerados emiten radiación sincrotrón, un haz intenso de luz que permite estudiar la estructura a escala nanométrica. Un ejemplo famoso: en 2008 la radiación del acelerador DORIS reveló una pintura de Van Gogh que había sido cubierta, devolviéndola a la luz pública.
Desde 2009, PETRA III funciona como fuente de rayos X duros de muy corta longitud de onda. Este haz extremadamente brillante y enfocado se utiliza para examinar muestras diminutas; biólogos lo emplean, por ejemplo, para determinar la estructura atómica de cristales de proteínas.
FLASH: pulsos ultracortos de luz
Desde 2005, el láser de electrones libres FLASH opera en una línea recta de 300 m. Es el primer dispositivo del mundo capaz de generar pulsos de luz en el rango del ultravioleta extremo y de los rayos X blandos. En lugar de circular, los electrones son acelerados a velocidad casi lumínica por un acelerador superconductivo y atraviesan una serie de "unduladores" (pares de imanes) que los hacen ondular, emitiendo destellos de luz extremadamente breves y potentes. Estos pulsos permiten seguir procesos ultrarrápidos, como reacciones químicas.
Las estaciones de medida de FLASH y PETRA son muy solicitadas; sólo una fracción de las peticiones internacionales puede ser atendida. Por ello, a partir de 2020 se está ampliando el sistema a FLASH2020.
European XFEL: el láser de rayos X más largo del mundo
El European X‑ray Free‑Electron Laser (European XFEL), en operación científica desde 2017, comparte la misma tecnología que FLASH pero con una línea de 3,4 km que se extiende bajo tierra hasta la frontera con Schleswig‑Holstein. Es la instalación más joven de DESY y el mayor láser de rayos X del planeta. Doce países cofinancian su coste aproximado de 1,2 mil millones de euros. Sus pulsos permiten descifrar detalles atómicos de virus y células, filmar reacciones químicas y obtener imágenes 3D del nanocosmos.
En la pista del bosón de Higgs
La física de partículas sigue siendo una prioridad. DESY colabora con el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, donde en 2012 se descubrió el bosón de Higgs. Además, el centro participa en el proyecto del futuro colisionador lineal internacional (ILC), cuyo objetivo es estudiar el Higón con mayor precisión; la decisión final sobre su construcción está aún pendiente.
Partículas fantasma en el hielo eterno
Otro proyecto emblemático es IceCube. Más de 5 000 módulos detectoras fueron instalados hasta 2 450 m bajo el hielo de la Antártida para observar neutrinos, partículas casi sin masa que atraviesan la materia sin ser perturbadas, también llamadas "partículas fantasma". Detectar neutrinos provenientes de agujeros negros o supernovas ayuda a comprender fenómenos cósmicos extremos. En 2012 y 2013, IceCube registró neutrinos de alta energía de origen extraterrestre.
Un centro de investigación de alcance global
Con sus tres áreas de estudio (física de partículas, fotones y aceleradores), DESY se ha consolidado como uno de los centros más importantes del mundo para investigar la estructura y función de la materia. Aproximadamente 3 000 científicos visitantes de unas 40 naciones utilizan sus aceleradores para explorar el microcosmos, probar nuevos nanomateriales y observar procesos vitales entre moléculas, aportando conocimientos esenciales para el desarrollo de fármacos y tecnologías emergentes.
