La Universidad de Granada dirige el experimento de neutrones del CERN que servirá como base a los futuros experimentos del IFMIF-DONES

Un investigador de la Universidad de Granada (UGR), Javier Praena Rodríguez, dirige el experimento de neutrones del CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) en el que será un periodo crucial para esta instalación, que servirá como base, además, a los futuros experimentos del proyecto IFMIF-DONES, que se pretende llevar a cabo en Granada.

En la foto se muestra una vista cenital del experimento n_TOF en la zona de Ginebra (Suiza) y sus aceleradores asociados (líneas blancas, Linac, Booster y PS, este último de unos 100 m de radio). La figura roja representa el impacto de los protones del PS sobre el blanco de plomo, y la flecha roja representa el “vuelo” de más de 185 metros de los neutrones hacia la primera sala experimental de n_TOF (EAR1). Todo ello se encuentra bajo tierra a unos 20 metros de profundidad, salvo la sala experimental 2 (EAR2) que se encuentra a 20 metros en vertical sobre el blanco de plomo. En las salas experimentales, n_TOF tiene un complejo sistema de detectores para la realización de sus experimentos.

Desde septiembre 2020, Javier Praena Rodríguez, profesor contratado doctor del departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Granada (UGR), es científico asociado del CERN (Centro Europeo para la Investigación Nuclear) y dirige desde Suiza la instalación de neutrones del CERN denominada neutron time-of-flight (n_TOF).

En julio de 2021, n_TOF comenzará la calibración y comisionado de su instalación tras el segundo apagón prolongado (Long Shutdown 2) de sus aceleradores desde que el CERN fue creado.

El CERN es el laboratorio de física nuclear y partículas más importante del mundo. Creado en 1954 en Ginebra (Suiza), en él participan más de cuarenta países. Su misión es proporcionar una gama única de aceleradores de partículas que permita la investigación a la vanguardia del conocimiento humano y ampliar las fronteras de la ciencia y la tecnología, en beneficio de todos.

El complejo de aceleradores del CERN es muy amplio y aunque el más conocido es el LHC (Large Hadron Collider, con un diámetro mayor de 8 kilómetros) existen muchos otros experimentos e instalaciones. El segundo apagón prolongado de los aceleradores, iniciado en 2019 y que termina en julio de 2021, ha sido necesario para realizar numerosas mejoras en todos los experimentos, siendo el más significativo el aumento de la luminosidad del LHC que permitirán estudios más allá del bosón de Higgs.

En la foto (mayo de 2021), Javier Praena durante las pruebas realizadas al imán (0.3 Tesla) utilizado en la línea vertical y situado a 10 metros sobre el blanco. El tubo en el techo guía a los neutrones, ya libres de partículas cargas, hacia la sala EAR2.

El experimento n_TOF se basa en la producción de neutrones gracias al impacto del haz de protones de muy alta energía del acelerador Proton Synchrotron (PS) sobre un blanco de plomo (aproximadamente 50x50x50 cm3). El 25% de los protones del PS está dedicado a n_TOF y el resto se dedica a otros experimentos, entre ellos el LHC.

Apagón prolongado

Así, durante este periodo de apagón prolongado de los aceleradores, n_TOF ha desarrollado e instalado un nuevo blanco para producción de neutrones; ha mejorado numerosos elementos de sus líneas (como los imanes que permiten desviar las partículas cargadas creadas en la reacción de los protones con el plomo, colimadores que permiten cambiar la dimensión del haz de neutrones), y ha desarrollado varios elementos que permitirán monitorizar la instalación permanentemente. Estos elementos se sitúan a lo largo de los más de 185 metros de “camino de vuelo” de los neutrones desde el blanco de producción a la sala experimental 1 (EAR1) y de los 20 metros en vertical hacia la sala experimental 2 (EAR2).

Estas mejoras permitirán continuar la realización de experimentos con neutrones en la frontera del conocimiento con aplicación a los campos de tecnología nuclear, astrofísica y física médica. “Los experimentos en n_TOF han contribuido a la mejora de los procesos de reciclaje del combustible nuclear en los reactores actuales; han aportado conocimiento sobre problemas fundamentales (como el problema del Litio cosmológico en el Big Bang) o han mejorado la dosimetría en tratamientos del cáncer con nuevas radioterapias”, señala Javier Praena.

La siguiente figura muestra un esquema de toda la instalación n_TOF con una foto del tubo de vacío de 185 m para el vuelo de los neutrones hacia la EAR1. La línea verde indica la dirección de los protones del acelerador PS hacia el blanco de plomo, situado en el búnker NEAR.

En relación con ello, Praena pertenece al grupo de la Cátedra de Neutrones de la UGR y al proyecto NEMESIS, y junto con los catedráticos de la UGR Ignacio Porras y Fernando Arias de Saavedra lidera la línea de física médica en n_TOF, donde han realizado varios experimentos con aplicación a la terapia contra el cáncer por captura de neutrones. En esa línea, recientemente, el CERN ha aceptado su propuesta de experimento para el estudio de la producción de radioisótopos para medicina nuclear en la instalación IFMIF-DONES (Granada).

Además de estas mejoras, n_TOF ha preparado una nueva zona experimental en torno al blanco de producción de neutrones. Esta es una novedad muy importante, ya que los flujos de neutrones serán muy altos. Esta zona se denomina NEAR (New Experimental ARea) por su proximidad al blanco de plomo, y ya en este mes de julio comenzará su funcionamiento con la irradiación de materiales claves y dispositivos electrónicos que se usan en ambientes con alto flujo de neutrones y de los cuales se desconoce su comportamiento.

La mayoría de los experimentos necesitarán del uso de robots para el manejo de las muestras irradiadas, como se ve en la foto (21 de junio de 2021), tomada durante la instalación del soporte de las muestras a ser irradiadas en NEAR. El soporte se ha colgado directamente en un lateral del blanco de plomo de n_TOF que se encuentra ya instalado dentro del búnker de la foto.

Praena señala que la zona NEAR puede ser de interés para futuras instalaciones como IFMIF-DONES, de importancia fundamental para Granada. “En NEAR se podrán realizar estudios preliminares sobre diferentes materiales que serán complementarios a aquellos que se realizarán en la futura instalación IFMIF-DONES (Escúzar, Granada). Asimismo, ya en 2021 se van a realizar pruebas sobre detectores de neutrones que serán utilizados en IFMIF-DONES”, indica el investigador de la UGR.

Referencias bibliográficas:

Commissioning of the third-generation spallation target and neutron beam characteristics of the n_TOF facility. CERN-INTC-2020-072 ; INTC-P-587. http://cds.cern.ch/record/2737307.

Measurement of the 176Yb(n,γ) cross-section at EAR1 and its application to nuclear medicine. CERN-INTC-2021-037 ; INTC-P-607. https://cds.cern.ch/record/2766531.