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Los científicos anuncian la llegada de un nuevo siglo de microscopía superrápida

CC0 / Pixabay / Microscopio (imagen referencial)
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El método de detectores de trazas con emulsiones nucleares (DTE) se usa en la física experimental desde hace ya más de 60 años y hasta el momento es el mejor en lo que se refiere a la precisión de mediciones de las trayectorias de partículas elementales.

El proyecto realizado por colaboraciones internacionales con la participación de los científicos rusos, incluidos los empleados de la Universidad Nacional de Ciencia y Tecnología de Rusia MISIS (NUST MISIS) abre nuevas perspectivas a su uso.

El principio de funcionamiento y la historia

Se puede describir el método de DTE del modo siguiente: al atravesar la emulsión, una partícula cargada ioniza los granos de plata a lo largo de su trayectoria. Estos granos se convierten en nanopartículas de plata metálica cuando se revela la emulsión.

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Este método se empleó por primera vez en la física nuclear por Antoine Becquerel quien en 1896 descubrió que las sales de uranio eran radiactivas cuando la película fotográfica adquirió un color negro.

El método de DTE fue generalmente reconocido tras el descubrimiento del pion en 1947. Contribuyó a hacer importantes descubrimientos en la física de partículas elementales: descubrir interacciones nucleares de piones y kaones, evaluar el período de vida del mesón π0 (10-16 segundos), descubrir que el kaón se desintegra en tres piones, observar por primera vez las partículas 'encantadas' y desintegraciones de las partículas 'fondo' en las partículas 'encantadas', observar por primera vez el nacimiento de las partículas 'encantadas' en interacciones de neutrinos.

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Un problema importante del método de DTE consiste en que es difícil medir con el uso de microscopios ópticos las coordenadas de nanopartículas que forman el trazo de una partícula.

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Durante decenas de años estas mediciones se hicieron manualmente. Tras automatizar el proceso con el uso de microscopios robóticos, se hizo posible excluir la dura labor humana y avanzar aplicando el método de DTE en los experimentos DONUT y OPERA.

DONUT fue un experimento llevado a cabo por el laboratorio Fermilab para buscar interacciones entre neutrinos tauónicos. El detector funcionó durante el verano de 1997 y descubrió con éxito un neutrino tauónico que anteriormente fue la única partícula del Modelo estándar (además del bosón de Higgs) que no fue accesible para la observación directa.

​La tarea principal del experimento OPERA fue registrar los tauneutrinos que se originaron de los neutrinos muónicos tras oscilaciones de neutrinos. Haces de neutrinos muónicos generados en el CERN (Suiza) en dirección de los laboratorios de Gran Sasso (Italia), tras volar 732 kilómetros, llegaron al lugar donde fue instalado el detector OPERA que los registró con el  uso de emulsiones nucleares.

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En 2010, se probó por primera vez que los neutrinos muónicos pueden convertirse en los tauneutrinos, esto confirmó la hipótesis sobre las oscilaciones de neutrinos.

Microscopios robóticos actuales

En los detectores de trazas de muchas toneladas se usan hoy millones de emulsiones y para su escaneo óptico se aplican los microscopios automatizados (MA).

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Como la velocidad de funcionamiento de tales microscopios robóticos restringe el uso de detectores con emulsiones, los científicos buscan un método que podría acelerar su funcionamiento y crear robots de nueva generación.

Los microscopios automatizados de nueva generación son robots dotados con dispositivos mecánicos de alta precisión, equipos ópticos de alta calidad y una cámara de alta velocidad. Los MA funcionan millones de veces más rápido que un ser humano experto en microscopía y pueden trabajar sin cansarse, durante las 24 horas al día.

Los empleados de la NUST MISIS y el Instituto Nacional de Física Nuclear (INFN, Nápoles, Italia) informaron a Scientific Reports que habían diseñado una tecnología fácil y rentable que hace posible incrementar la velocidad de funcionamiento de los MA en 100 veces.

"Planeamos crear y ensayar un prototipo de nueva generación que usa la tecnología de giro del plano focal que hemos realizado. La velocidad de microscopios incrementada en 100 veces permitirá aumentar considerablemente el volumen de datos procesados y reducir el tiempo necesario para su análisis sin grandes gastos financieros", informa a Sputnik el empleado de la NUST MISIS y de INFN, Andréi Alexándrov.

El incremento de la velocidad de microscopios ayudará a los científicos en muchas áreas: la medicina, la física nuclear, la física de neutrinos, la arqueología, la geología, la vulcanología, etc. El desarrollo de la tecnología de escaneo óptico automatizado y los MA de nueva generación permitirá ampliar las fronteras del uso del método de DTE y crear los detectores dotados con decenas de millones de emulsiones nucleares.

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"Creo que los MA de nueva generación estarán dotados con muchas cámaras y usarán la inclinación del plano focal del observatorio. Hemos empezado ya a estudiar las posibilidades de usar las fuentes de luz láser y los principios de holografía para crear las nuevas generaciones de microscopios automatizados superrápidos. En la Universidad de Nagoya (Japón) se ha construido un microscopio único Hyper Track Selector con 72 cámaras y un observatorio supergran angular de tamaño enorme que usa el método estándar de escaneo. Con el uso de nuestra tecnología se puede alcanzar la misma velocidad de escaneo con 14 cámaras y un observatorio tradicional, lo que será mucho más barato", señala Andréi Alexándrov.

El futuro de detectores: desde la materia oscura hasta la oncología

En un futuro, experimentos científicos con detectores similares se ocuparán de la búsqueda de partículas de la materia oscura, investigaciones de la física de neutrinos, estudiarán la fragmentación de iones para la terapia de hadrones para luchar contra el cáncer y proteger la tripulación de misiones interplanetarias de los rayos cósmicos.

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El detector dotado de millones de emulsiones nucleares ya existe: el detector OPERA contiene unos nueve millones de emulsiones (es equivalente a unos 110.000 metros cuadrados de la superficie). Dentro de unos 10 años, el experimento para la búsqueda de la materia oscura NEWSdm (Nuclear Emulsions for WIMP Search with directional measurement) podrá batir un nuevo récord.

Es el primero y todavía único experimento para la búsqueda de partículas de la materia oscura que usa nanoemulsiones para registrar la dirección de los núcleos de retroceso en las colisiones con partículas de la materia oscura (los detectores de otros experimentos similares se llenan con gas a baja presión).

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En este caso, un desafío es la necesidad de procesar decenas de toneladas de trazadores y determinar las direcciones de trazas cuya longitud es más corta que el límite de difracción de los microscopios existentes. Los microscopios automatizados de alta velocidad ayudarán a realizarlo con el uso de la tecnología innovadora de superresolución diseñada por los participantes del experimento.

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Se pueden citar otros ejemplos de experimentos similares que se llevarán a cabo en un futuro: FOOT (Fragmentation Of Target) y SHiP (Search for Hidden Particles).

FOOT estudia la interacción de protones e iones de carbono cuando los haces atraviesan tejidos de un paciente. El conocimiento de parámetros de la fragmentación de iones es necesario para optimizar sistemas de planificación de la terapia de hadrones contra el cáncer y desarrollar nuevos métodos de protección de las tripulaciones de las futuras misiones interplanetarias de los rayos cósmicos.

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El detector de neutrinos del experimento SHiP estará dotado con un gran número de emulsiones para estudiar la física de los tauneutrinos y buscar partículas de la ligera materia oscura generadas en las interacciones de protones con la energía 400 eV.

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