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Física

Las primeras imágenes

En su prueba inicial, Sirius, la nueva fuente de luz sincrotrón brasileña, produjo microtomografías de una roca y de un corazón

Las instalaciones de Sirius, en la ciudad de Campinas

CNPEM

En el mes de diciembre se obtuvieron las primeras microtomografías de rayos X producidas por el mayor y más complejo instrumento de investigación construido en Brasil: Sirius, una de las más avanzadas fuentes de luz sincrotrón del mundo. Las imágenes revelaron detalles de un fragmento de roca y del corazón de un ratón. “Estas primeras microtomografías de rocas demuestran la funcionalidad de esta gran máquina”, dice el físico Antônio José Roque de Silva, director del CNPEM, y responsable a cargo del proyecto Sirius.

Sirius está instalado en el campus del Centro Nacional de Investigaciones en Energía y Materiales (CNPEM), en la ciudad de Campinas, en el interior del estado de São Paulo, y ocupa un edificio con formato toroide de 68 mil metros cuadrados, donde la temperatura interior es controlada, y se asienta sobre una gruesa plataforma de hormigón especial reforzado que absorbe las vibraciones del suelo. En su interior, están instalados tres aceleradores de partículas interconectados. Los mismos se encargan de generar y mantener en circulación dentro de un anillo de 518 metros de circunferencia, a una velocidad muy cercana a la de la luz, un haz de partículas con carga eléctrica negativa (electrones) de un espesor miles de veces más delgado que un cabello. Para ello dispone de imanes poderosos que están acoplados al anillo y fuerzan a las partículas a sufrir pequeños desvíos hasta completar el círculo. Con cada alteración de su trayectoria, los electrones pierden parte de su energía bajo la forma de una luz especial: la radiación sincrotrón (especialmente en la banda de los rayos X), que atraviesa incluso los materiales más densos, como en el caso de las rocas, posibilitando el estudio de su estructura a escala atómica.

Las imágenes obtenidas en diciembre lograron producirse menos de un mes después de haberse puesto en marcha el trío de aceleradores funcionando por primera vez en conjunto. Los electrones que se generan en el primer acelerador son impulsados en línea recta casi hasta la velocidad de la luz y se los introduce en el segundo acelerador, con forma de anillo. Allí, ganan energía y se los redirige hacia un tercero, al cual se lo denomina anillo de almacenamiento, de donde se extrae la radiación sincrotrón.

Para que esto ocurriera, fue necesario que los miles de componentes de la máquina (imanes, sensores de posición de las partículas, cámaras de vacío, circuitos eléctricos y computadoras) trabajaran ajustados y en sincronía. Para hacerse una idea de la complejidad de esa tarea, las piezas de los aceleradores deben estar alineadas con una precisión de micrones (milésimas de milímetro) para que el haz de electrones se mantenga estable en el anillo de almacenamiento. El edificio que alberga a Sirius es nuevo –fue inaugurado en noviembre de 2018– y su estructura todavía registra desplazamientos sutiles a causa del afianzamiento del terreno. Esto provoca alteraciones en la trayectoria de los electrones, que a pesar de producirse a escala de micrones, resultan suficientes como para destruir el haz de partículas.

En la primera prueba integrada, que se llevó a cabo en el mes de noviembre, las partículas completaron solamente dos vueltas en el anillo de almacenamiento. Los ajustes en el calibrado del sistema de corrección de la órbita de las partículas que se realizó durante las semanas siguientes aumentaron la estabilidad del haz. A mediados de diciembre, los electrones ya llegaban a completar 150 vueltas, realizadas en el brevísimo lapso de 250 millonésimas de segundo. Cuando el dispositivo logre llegar a su capacidad plena de funcionamiento, la máquina quedará conectada en forma ininterrumpida, con los electrones realizando 600 mil vueltas por segundo.

Sirius es un proyecto concebido en 2012 con la configuración actual. Se trata de un dispositivo presupuestado en 1.800 millones de reales. Y se lo empezó a construir en 2014 para reemplazar al UVX, la primera fuente de luz sincrotrón del hemisferio sur, que en los últimos años había dejado de ser competitiva. Los equipos del CNPEM proyectaron el nuevo equipo y les encargaron a empresas nacionales de alta tecnología la mayor parte de las piezas necesarias. En cinco años se construyó el edificio y se instalaron los aceleradores de partículas.

En forma simultánea a los test de los aceleradores, los equipos del CNPEM se ocuparon del montaje de las tres primeras de las 13 estaciones experimentales que integrarán Sirius. La primera que estará lista será la denominada Manacá, que en diciembre estaba casi terminada. Esa estación recibirá luz sincrotrón en la frecuencia de los rayos X y permitirá tomar imágenes tridimensionales de proteínas, registrando la ubicación precisa de cada átomo, algo importante para el desarrollo de fármacos. Según informa la dirección del CNPEM, para marzo estará lista al menos una estación más, en ese caso la denominada Cateretê, que será capaz de registrar imágenes tridimensionales de células vivas y fenómenos muy veloces, tales como las alteraciones en el interior de las moléculas de ADN, y habrá una tercera parcialmente terminada, llamada Mogno, dedicada al estudio de materiales más densos, tales como rocas.

El 11 de diciembre se acreditaron en la cuenta del CNPEM 180 millones de reales, el equivalente al 80% del presupuesto para 2019; el resto ya se había recibido. Según la dirección del centro, con esa suma se podrá iniciar el montaje de otras tres o cuatro estaciones experimentales durante este año. Se espera que a partir del segundo semestre los investigadores con mayor experiencia en el uso de este tipo de dispositivos inicien los primeros experimentos en Sirius, que estaría terminado a finales de 2021. “En poco más de cinco años estamos logrando poner en funcionamiento a Sirius, aun con el país atravesando  una de las peores crisis de su historia reciente”, comenta Da Silva.

Cuando logre funcionar a pleno, Sirius, que es el primer aparato de cuarta generación del hemisferio sur, tendrá dos competidores directos: MAX IV, la primera fuente de luz sincrotrón de cuarta generación, que ya está operando en Suecia, y la fuente extrabrillante (EBS) del European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), en Francia, el primer dispositivo de tercera generación del globo, al cual se lo está perfeccionando para transformarlo en una máquina de cuarta generación.

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