China dio un paso estratégico en la investigación de frontera al iniciar las operaciones de prueba de la High Intensity Heavy-ion Accelerator Facility (HIAF), una de las infraestructuras científicas más ambiciosas del país y llamada a convertirse en uno de los laboratorios de física nuclear más avanzados del mundo. El complejo, ubicado en la ciudad de Huizhou, en la provincia de Guangdong, superó la revisión de aceptación tecnológica y comenzó oficialmente su fase de pruebas tras casi ocho años de construcción.
La HIAF es un proyecto nacional encabezado por el Instituto de Física Moderna (IMP) de la Academia China de Ciencias (CAS) y fue concebido para responder algunas de las preguntas más importantes de la física moderna: ¿cuáles son los límites de existencia de los núcleos atómicos?, ¿cómo se formaron los elementos químicos del universo?, ¿qué ocurre con la materia sometida a condiciones extremas de energía y densidad?
Una de las instalaciones científicas más complejas construidas por China
La construcción de la HIAF comenzó en diciembre de 2018, aunque el proyecto científico fue propuesto desde 2009. El complejo ocupa unas 32 hectáreas (80 acres) e incluye una línea de haces de aproximadamente dos kilómetros, ubicada hasta 13 metros bajo tierra, además de laboratorios experimentales, sistemas criogénicos, aceleradores superconductores y anillos de almacenamiento de partículas.
Para construir la instalación fue necesario integrar:
- más de 6 mil equipos de gran escala;
- cerca de cinco millones de componentes;
- más de un millón de metros de tuberías;
- tecnologías desarrolladas específicamente para el proyecto, muchas de ellas sin precedentes en China.
El acelerador producirá los haces de iones más intensos del mundo
Los aceleradores de iones pesados funcionan como enormes «microscopios» capaces de estudiar la estructura íntima de la materia al acelerar núcleos atómicos casi a velocidades relativistas y hacerlos colisionar o interactuar con distintos materiales.
De acuerdo con la Academia China de Ciencias, cuando la HIAF opere plenamente será capaz de generar los haces pulsados de iones pesados más intensos del mundo, además de incorporar el espectrómetro multifuncional de masas nucleares más preciso construido hasta ahora. Estas capacidades permitirán producir y analizar miles de núcleos atómicos extremadamente inestables que normalmente solo existen durante fracciones de segundo en explosiones estelares o supernovas.
El complejo también será uno de los pocos laboratorios del mundo capaces de acelerar prácticamente cualquier ion, desde hidrógeno hasta uranio, lo que ampliará significativamente las posibilidades de investigación en física nuclear y aplicaciones tecnológicas.
Tecnología desarrollada durante más de una década
Uno de los mayores desafíos consistió en desarrollar sistemas capaces de aumentar drásticamente el número de partículas aceleradas en cada pulso.
Para lograrlo, los investigadores diseñaron fuentes superconductoras de iones, aceleradores lineales superconductores, fuentes de alimentación capaces de modificar corrientes de miles de amperes en apenas 100 milisegundos y sistemas de radiofrecuencia de alta precisión. Además, el acelerador opera en cámaras de vacío ultralimpias con presiones comparables a las existentes en la superficie de la Luna, condición indispensable para evitar que los haces de partículas pierdan energía durante su recorrido.
Según Yang Jiancheng, ingeniero en jefe del proyecto, el desarrollo de estas tecnologías requirió más de diez años de investigación y permitió superar varios récords internacionales de intensidad de haces durante las pruebas iniciales.
Ya rompió récords durante las pruebas
Antes incluso de iniciar formalmente sus operaciones experimentales, la HIAF alcanzó resultados que superaron las especificaciones previstas.
Durante la etapa de puesta en marcha, los científicos obtuvieron intensidades de 2.5 × 10¹¹ partículas por pulso con haces de oxígeno y 3.2 × 10¹⁰ partículas por pulso con haces de bismuto, estableciendo nuevos récords mundiales para aceleradores de características similares. Asimismo, lograron medir con una precisión sin precedentes la masa del isótopo de vida corta Au-202 y detectaron dos nuevos isótopos, demostrando la capacidad del laboratorio para producir núcleos extremadamente exóticos.
Comprender el origen de los elementos del universo
Los investigadores esperan que la HIAF contribuya a resolver problemas fundamentales sobre la evolución del universo.
Entre sus principales líneas de investigación destacan:
- explorar los límites de existencia de los núcleos atómicos;
- estudiar la estructura de núcleos inestables nunca observados;
- comprender los procesos de nucleosíntesis responsables de la formación de los elementos químicos en estrellas y explosiones estelares;
- investigar materia sometida a densidades y temperaturas extremas;
- desarrollar nuevas aplicaciones en energía nuclear, ciencia de materiales, física atómica y medicina.
Los haces de iones pesados también tienen aplicaciones fuera de la física básica, ya que se utilizan para desarrollar materiales resistentes a la radiación, producir radioisótopos para diagnóstico y tratamiento del cáncer, estudiar los efectos de la radiación sobre componentes electrónicos destinados al espacio y diseñar nuevas tecnologías para reactores nucleares.
Competirá con los grandes laboratorios del mundo
La HIAF forma parte de una nueva generación de grandes instalaciones internacionales dedicadas a la física nuclear, junto con el Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de Estados Unidos, FAIR en Alemania y NICA en Rusia. Su entrada en operación refuerza la estrategia de China para consolidarse como una potencia científica capaz de desarrollar infraestructura de investigación de clase mundial y atraer colaboraciones internacionales.
De acuerdo con la Academia China de Ciencias, una vez concluida la fase de pruebas, el laboratorio estará abierto a investigadores de universidades, centros de investigación e industrias de todo el mundo, con el propósito de convertir a la HIAF en un centro internacional para el estudio de la materia, el origen de los elementos y el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en aceleradores de partículas.
