Cómo utilizar el LHC para salvar vidas: Medicina nuclear en el CERN

El CERN alberga el gran colisionador de hadrones, LHC , el acelerador de partículas más grande del mundo con nada menos que 27 km de circunferencia. En él se aceleran protones  en sentidos opuestos hasta el 99,9999991% de la velocidad de la luz para hacerlos chocar frontalmente. En estas colisiones se generan un gran número de partículas, entre ellas el bosón de Higgs, descubierto experimentalmente en 2012.

CERN-logo

Lo que no tanta gente sabe es que el CERN alberga 26 experimentos más, como por ejemplo ISOLDE, dedicado a la producción de haces de partículas radiactivas para ser utilizados en física nuclear, o CLOUD un experimento que dedicado a estudiar la relación entre los rayos cósmicos y las formación de nubes.

Pero del que os quiero hablar es de MEDICIS. Este experimento está destinado a producir isótopos radiactivos para ser empleados en medicina. El objetivo es usar ISOLDE para crear isótopos como Lutecio 177, utilizado en terapia β o  Estroncio 85, utilizado  para las imágenes PET. Una vez producidos serán enviados a los hospitales cercanos a Ginebra.

isótopos medicis
Algunos de los isótopos con aplicaciones médicas que serán creados en MEDICIS.

Pero, ¿cómo puede el mayor el mayor laboratorio de física de partículas del mundo ser útil a la medicina?

Los protones que circulan por el anillo principal del LHC no son acelerados en el mismo anillo sino que requieren se acelerados en los boosters, aceleradores de partículas más pequeños. Antes de ser inyectados en el anillo principal los protones son acelerados en 4 aceleradores. El primero es el acelerador lineal Linac 2,en el que los protones son acelerados hasta 1/3 de la velocidad de la luz. A continuación pasan al  Proton-Synchrotron Booster ,el Proton Synchrotron y el Super Proton Synchrotron.

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Los números del 1 al 4 indican las etapas de aceleración de los protones antes de ser inyectados en el LHC. MEDICIS se encuentra en ISOLDE, a la salida de la segunda aceleración.

Para generar el haz de isótopos radiactivos necesarios para experimentos de física nuclear ISOLDE emplea un haz de protones proveniente del Proton-Synchrotron Booster, el segundo acelerador en el esquema de aceleración. Un vez vez usado en los experimentos del física nuclear, el haz de protones todavía conserva el 85% de su intensidad inicial, por lo que puede ser reutilizado.  MEDICIS se beneficia de este segundo uso del haz. Poniendo otro blanco detrás del que se utiliza para física nuclear se le da una ”segunda vida” . Para generar los radio-isótopos necesarios en aplicaciones médicas se hace colisionar el haz de protones contra un blanco de carburo de uranio, UC2, u óxido de torio, Th2O3. El resultado de este choque es la generación de gran cantidad de elementos de la tabla periódica debido a 3 procesos:

  • Fisión: En esta reacción nuclear un neutrón es absorbido por un nucleo atómico. Este proceso vuelve al núcleo inestable por lo que se acabará dividiento en 2 núcleos más pequeños y de masas similares.
  • Espalación: Este tipo de reacción nuclear  sucede al bombardear un blanco pesado como uranio o plomo con un haz de protones de alta energía. La colisión de los protones hará que el blanco emita nucleones (protones y neutrones), dejando al resto de núcleos en el estado excitado. Tras un tiempo se desexcitarán y emitirán una gran cantidad de neutrones. Podemos imaginarlo como una ”evaporación” debido a la gran cantidad de nucleones que son emitidos por un nucleo tras desexcitarse.
  • Fragmentación: Al bombardear un núcleo pesado con protones puede suceder que ese núcleo se fragmente literalmente en nucleos más ligeros. La diferencia con la fisión es que durante la fragmentación los productos no son solo dos nuevos nucleos, sino que pueden producirse muchos más y con una gran diferencia de masas

Del cocktail de elementos producidos tras las reacciones nucleares se debe extraer un isótopo de un elemento químico en particular. Para ello se utilizan fuentes de iones y espectrómetros de masas. Las fuentes de iones son cavidades que ionizan la materia, es decir, arrancan electrones al átomo. Al hacer esto el átomo adquirirá carga eléctrica positiva, por lo que podrá ser acelerado mediante una diferencia de potencial. Estas cavidades permiten arrancar electrones al elemento químico que deseemos por lo que podremos extraer un haz que contenga iones de tan solo un elemento de la tabla periódica. Este haz de iones es dirigido al espectrómetro de masas que no es más que un imán que divide el haz de acuerdo a la masa de los isótopos. De esta manera al final del proceso conseguiremos un haz radiactivo del isótopo deseado listo para ser implantando en las muestras y posteriormente distribuido por los hospitales y centros de investigación en los alrededores de Ginebra.

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Esquema del funcionamiento de MEDICIS

Se espera que MEDICIS empiece a funcionar a medidos de 2017. A día de hoy jóvenes estudiantes de doctorado siguen trabajando en el desarrollo de la instalación. No han sido pocas veces las que alguien ha preguntado: ¿Y el CERN para qué sirve?  Ahora tiene una razón más con la que contestar: Para salvar vidas.

Referencias

CERN-MEDICIS (Medical Isotopes Collected from ISOLDE): A New Facility, Ricardo Manuel dos Santos Augusto et al.

Proton induced spallation reactions in the energy range 0.1 – 10 GeV, Anna Kowalczyk

Ion source studies and developments in the framework of CERN-MEDICIS and ISOLDE, Yisel Martinez

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