investigación y ciencia 355, abril 2006

5/12/2018 Investigacin y Ciencia 355, Abril 2006

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LO S SARCOM AS , ARQUET IPO S DE CANCER


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S C I E N T I F I : CA M E R I C A N

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S i n a p s i s in m u n it a r iaDani e l M . Dav i sla in te ra cc i6 n e ntre c elu la s in m un ita ria srem eda la q ue es tab lec en las neu ro nas p arcomun icarse . E I e stu dio d e e sta s s in ap sisarro ja l u z s ob re la s re de s d e in te rc am b iode in fo rm ac ion qu e las celulas te je n p arac omb atir la s e nfe rm e da de s.

4H A C E . . 5 0 , 1 D O y 1 5 0 amos .

A lm a c e n a m i e n t o s e g u r od e l u r a n io a l t a m e n t e e n riq u e c id oA lexander G lase r y Frank N . von H ippe l

6ApUNTESAs t ro li lom ia . ..B io log ia . ..E s p ec ie s in va s nr as ...M ime tismo . ..Economr ia . . .Nanotecn ia .

N u m ero so s re ac to re s d e in ve stiq ac ie n c iv ile s c on tie ne n u ra nio a lta m en teen rique cido c on e l q ue lo s te rro ris ta s p odrfan c ons tru ir bom bas nu cleares .

P r o t e c c i o n e sp a r a N u e v a O r le a n sMa r k F is ch etti3 2

C IE N C I A Y S O C I E O A DS u pe rc en du ctiv id ad d e c olo r. ..llrta ea lid a s en sa eio n ...E ll pec h ia z ul. . .'L a p r o te l n a T O R . . .Pen in s u la An t ar ti ca .

lo s h ura ca ne s K atrin a y R ita de va sta ron la c osde l go lfo de M ex ico . A lii, la es tac ion de las to rtas to rna cada m es de jun io . ;.S e podra a lgunap ro te ge r d eb id ame nte la s p ob la cio ne s c os te ra s?

50E s t r a t e g ia s e v o lu t iv a s d e lo s cetalopcdosA ng el G ue rraA s oc ia da s a la re du cc io n 0 pe rd id a d e la c onc ha , los c eta lop odn s ac tua lesm u es tra n u na c orn bin ac io n d e c ara cte rls tlc as q ue e xp lic an s u e xito e vo lu tiv o.

40D E C E R C AE I bongo. L o s s a r c o m a s ,a r q u e t i p o s d e c a n c e r

Igor M atushansky y Robert G . M a kiAunque taros, lo s c an ce re s d e rru is cu lo ,hueso 0 te jido a dipos o porta n los m is mo serro res m olec ula res que otros tum ores . E llole s c on vie rte en ca nd ida tos idea les p ara e ld es cu brim ie nto d e n ue va s te ra pia s.


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68E I motor de la d i n a r n o terrestreD . Jealt. D . B rito , P . C ardin, y H .-C . N atafP ara reve lar los secretos del cam po m a q n e t i c ode la T ierra , se in tenta reproduc ir cons im ula cio ne s n urn erica s y e xp erim en to s so brem odelos de tam aiio lim itado los tenn menosd in am ic ns d el n uc le o te rre stre .

74R econstrucci6n de la figura de G eorge W ash ingtonJ effre y H . S chwartzUn a n t r o p o l o q o fo rense reconstruy e e l aspecto que ten ia e l prim er pres identee sta do un id en se c ua nd o e ra jo ve n.

82Mo tores de reconocim ientoGa ry S tixE quipos de nuevo dise iio procesa ran flu jos dedatos con m ay or efic iencia y m ejor detsccinnde virus y m ensajes no deseados.

8 6C U R IO S ID A D E S D E L A F I S I C AEquilib rio e n b ic ic le ta ,p er J ea n-M ich el. C om tyy E d ~u ard K ie rllik

8 8J U E G O S M A T E M A T l c n sCaos , r ecu rr sne iay c on so ne ne ia m u sie al,por Juan M .R . Parrondo

90L I B R O SC i e n c i a medieva lJudl8l lsmo.

94ID E A S A P U C A O A SMa leccnss ,por Ma rk F is ch etti


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DlRECTOR GENERAL Jose M. a Valderas GallardoDlRECTORA RNANCIERA Pilar Bronchal GarfellaEDICIONES Juan Pedro Campos Gomez

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Ramon Pascual: Acelerrulorcs de plasma; Juan Manuel Gonzalez Marias:Sin apsis inmuniraria, Los sarcomas, arquetipos de cancer: 1. Vilardell:Almacenomsento segu.ro del uron io altamente enriquecido, Proteccionespam Nueva Orleans, Hcce . .. , Apuntes, Curiosidades de 10 fisica eIdeas api/codas; Luis Bou: EI motor de 10 dtnamo terrestre, Motores dereconocimiento; Marian Bellum: Reconstruccion de la figura de GeorgeWashinglal1

Portada: Phil Saunders. Space Channel Ltd.

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A C E... c in cu en ta a ria sREPARTO DE URANIO. EI presidente Eisenhower anuncioel mes pasado que EE.UU. destinara 40 toneladas deuranio 235 fisionable para centrales nucleares e investiga-cion. La mitad se vendera 0 arrendara a organizacionesautorizadas del pais; el resto se pondra a disposici6nde parses extranjeros. Del plan es tan excluidos la URSSy sus sa te lite s, 10 mismo que Canada y Gran Bretaf ia,que ya producen su propio combustible nuclear. Estas40 toneladas de U-235 representan una cantidad decombustible suficiente para generar una potencia e tec-trica de cuatro millones de kilowatt, 0 la carga explosivaneta de unas 3000 bombas atornicas.... c la n a fio sEL AVION WRIGHT. Sepun la ceclaracion recientementeremitida a! Aero Club de America por los senores Orvilley Wilbur Wright (declaracion, por cierto, primera quelos hermanos hacen en su propio pals), estes ya hanresuelto el problema del siglo, e! vuelo rnecan ico , consu avion tripulado propulsado por motor. Durante los tresu ltlr no s a rie s en que 10 han estado experimentando, hanrealizado 150 vuelos de una milia por terrnino medic,con numerosos cam bios y mejo-ra s en la rnaqu ina. EI vuelo finalde 22,5 millas (36 k i tornet ros) del5 de octubre pasado cubrio unadistancia mayor que el total delos 105 vue los de 1904."COMPROBACION IN SITU. V is ite aDayton en noviembre de 1905 ycornprobe la total exactitud de loscornun icados que los herman osWright fi rmaron posteriormentepara el Aerophile de Parfs y elAero Club de Nueva York. No al-bergo duda alguna de que hanresuelto el problema del vuelohumano por medios dlnarmcos .Persuadidos del valor crematfs-tico de su invencion, hasta hacemuy poco la han guardado en elmaximo de los secretos. -[Octa-ve] ChanuteCATACLISMO EN EL VESUVIO. "Lapresente erupcion es indiscuti-blemente una de las mas violen-tas de los tiempos modernos yha mostrado ya una naturalezamaxirnarnente destructive. EI flujode lava no ha sido de magnitudextraordinaria, pero la proyeccion

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de lapilli y piedras apenas tiene precedentes. A ella hayque achacarle la gran perdlda de vidas, pues la genie,aterrorizada por las detonaciones del vol can y la lobreqapenumbra amarillenta, se aqolpo en los edificios, muchosde los cuales se derrumbaron bajo el peso del materialcaido sobre ellos.EL TERREMOTO DE SAN FRANCISCO. Todo el horror de ladevastacion que la semana pasada arraso San Franciscoy las ciudades vecinas estal lo sobre nosotros antes deque ni siquiera nos hublerarnos percatado de que edesastre de Napoles habra Ilegado a su maximo. Eseismo responsable ultimo de la destrucclon de la ciudadamericana mas extensa de la costa del Pacifico fue sincornparac lon el mas intenso de los registrados en EE.UU.,y estuvo acornpafiado de la perdida de centenares, sno millares, de vidas y de la des t rucc ion de propiedadesvaloradas en centenares de millones. EI temblor des t ruyocasi toda la red de abastecimiento de agua de la ciudad;al redactarse estas l lneas, San Francisco es escenariode un incendio generalizado."PATINES DE RUEDAS CON MOTOR. "Por su novedad, losnuevos patines de ruedas can motor presentados re-cientemente en Paris por M. Constantini, renombrado

inventor de carburadores paraautornoviles, estan atrayendouna atencion considerable (veaseilustraci6n). EI ci nturon de pielIleva un deposito de gasolina enla parte posterior. Tres c amas de-portistas haran una carrera conestos patines desde la plaza dela Concordia hasta la PuertaMaillot.

P at in e s m o to r iz a d o s , P a r i s , 1 9 0 6 .

. . . c ia n t o c i n c u e n t a a f i o sINVESTIGACION CRIMINAL EN PRUSIA.Rec ienternente , en uno de losferrocarriles prusianos, un barrilque debia contener monedas deplata se ha l lo , a su lIegada a des-tina, que habia sido vaciado desu precioso contenido y rellenadocon arena. EI profesor Ehrenberg,de Berlin, pidio muestras de arenade todas las estaciones de laslineas por las que habfan pas adolas monsdas y, valiendosa de sumicroscopio, identifico la es tac ionde la que procedia la arena. Unavez determinada la es tac ion , nofue diffcil dar can el culpable entrelos pocos ernp leados que es tabande serv ic io.

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P U N T E SA S l R O N O M I AM e n o s bin ar iasSegun los textos de astronomfa, tres de cada cinco puntos de luz del t i r rnarnentonocturne corresponden a sistemas duales 0 binarios de estrellas. La estadfsticase basa en recuentos de est rei las visibles realizados a principios del siglo xx, cuandolos telescopios eran menos potentes. Las estrellas mas brillantes no abundan mucho:en nuestra galaxia, comprenden entre el i5 y el 20 por ciento de los sistemas estela-res_ Instrumentos mas sensibles han venido observando en los ult i rnos cinco afiossistemas de enanas rojas, menos lurrunosos aunque mucho mas comunes. S610 unacuarta parle perteneee a sistemas binaries, 10 que significa que dos te re tes de lossistemas estelares son enanas rojas solitarias, EI hallazgo ceberia ayudar a ponerorden en las teorfas sobre formaci6n estelar, pues a la mayorfa de las hip6tesis encirculaci6n Ie resulta mas tacil explicar la formaci6n de estrellas solitarias.

-J_ R. MinkelLa enana roja {v i si on ar t ls t ic a l . el tipo deestrella mas cornun, t iende a aparecer sola,

B I O L O G I AH a l la z g o d e u n m u n d o p e r d id oU na expedici6n cientiflca a una de las mas remotas junglas asiaticas, la de los brumosos montes Foja de Nueva Guinea Occi-dental, descubri6 en dieiembre de 2005 un tesoro de nuevas especies, flores gigantes e insolila fauna: un par de doeenasde especies de anfibios, cuatro nuevas mariposas, la mayor flor de rododendro de que haya constancia (casi quince centfmetros

de ancho) y aves melffagas. (No se descubria en la isla una nueva espede de avedesde bacia casi 70 afios.) Se hallaron ejemplares de canguro arborfcola de man-10 dorado, animal hasta ahora s610 conocido en una montana de la vecina PapuaNueva GUinea, y equidnas de nariz larga, mamifero ovfparo primitivo del que sesabe muy poco. De tales descubr imier t tos deducen algunos que una superficie demas de 10.000 kil6metros cuadrados de la jungla de Foja podrla constituir la selvatropical primigenia mas extensa de Asia, sequn anunciaba Conservacion Internacio-nal, copatrocinadora de la expedici6n.

En una selva primigenia de Nueva Guinea se ha descubierto la mayor florde rododendro que se conoce.

E S P E C IE S IN V A S O R A SC o n t r a e l rnejilhin c e b r aE I mejil16n cebra, originario de los mares Negro y Caspio, ha colonizado numerososecosistemas de agua dulce, incrustados quizas en la quilla de alguna embarcaci6n.Con su lIegada caen el fitoplancton y el oxfgeno disuelto en el agua; su aglomeraci6nobslruye canalizadones y tuberias. [Ha invadido -se descubri6 en 200i- el caucebajo del Ebro, a partir de los embalses de Mequinenza, Hibarroja y Flix, Ultimamentese Ie ha encontrado tarnblen en la cuenca del Jucar, en concreto en el tramo del rioMijares comprendido entre la central de Vallat y el embalse de Siehar, si bien debe deestar alii al menos desde 2002.J Dentro de poco se contara con un arma nueva contraese bivalve: unas microcapsulas de sal clorada. La cloraci6n es el procedimiento habi-tual para ataear al mejillon cebra. EI problema es que los moluscos detectan el cloro ypueden mantener sus valvas cerradas hasta tres semanas, 10que hace necesario pro-longar la adicion de cloro, con la consiguiente intoxicacion del agua. La nueva arrna esel cloruro POtaSICO,una sal especialmente toxica para el mejil16n cebra, pero inocua abajas dosis para la mayoria de los organismos. En un experimento, esa sal, encerradaen capsulas de aeeile vegetal y otros ingredientes, con un ancho de iD5 mieras, mat6al 60 por ciento de los mejillones cebra, rnientras dejaba indernnes a los mejillonesendernlcos. EI tarnario de las capsules coincide con el de algunas particulas que esosmoluseos filtran del agua. -Charles Q, Choi

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-Charles Q, Choi

EI rnejllon cebra podrfa haber encontradoun mal enemigo en el cloruro potasico

encapsulado.

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M IM ET ISM OL a b o la d e lo s h o n g o sA lgunas especies del genera Athelia ponen "huevos" falsos para que lastermitas, engaiiadas, les cuiden la progenie. Los esclerocios son esferasfilamentosas que, wando caen sobre cumulos de excreciones de lermitas,donde no encuentran competidores, germinan, con la consiguienle creaci6nde una colonia de hongos. Las termitas, cuando encuentran un esclerocio delmismo dlametro y olor que uno de sus huevos, se afanan en embadurnarlacon su saliva hidratante y antibiotica. Esas imilaciones de huevo ni favorecenni daiian los huevos reales de termita cuJtivados en placas de Petri: en esteinfrecuenle caso de mimetismo ovular, el hongo engafia a los insectos para suexclusive beneficio.

Las termitas cuidan sus huavns y, engafiadas, futuras colonias de hongos.-J. R . Minkel

E C O N O M I AL a o s c u r a m e d id a d e l p a s a d o y d e l presentsN ada mas inequivoco que una estadfstica econ6mica, podrfaparecer. La conlabilidad nacional que conduce a la cifradel producto interior brute anual se atiene a criterios biendefinidos. Pero para comparar las cifras de unos anos y otroshay que descontar el electo de la intlacion. La rnedida de laintlaci6n es problernatica: el mismo conceplo 10es. Sequn elinforme Boskin de 1996, la intlacion estadounidense se habrfaexagerado durante aiios. En consecuencia, el crecimiento realde Estados Unidos habrfa sido mayor de 10que se pensaba.Pero el informe Boskin sopeso sobre todo un aspecto delproblema: los carnbios de calidad de productos que antes noexistfan. Los econ6metras Robert Gordon y Todd vanGoethemhan observado tendencies que podrfan inverlir, en perfodos10 bastante largos, la seiialada por el informe. Sostienen queel precio de los aJquileres desde 1914 hasla 2003 y de laropa entre 1914 y 1993 habrian subido mas de 10que lieneen cuenla el indice de precios al consumo; si fuese s610 por

N A N O T E C N I AC o n d u c c io n e s c ris ta lin a s

esos precios, el crecimiento habna sido menor que el calcula-do a partir del fndice. Por otra parte, sequn las estimacionesordinarias, los obreros industriales estadounidenses y br.tanicosde finales del siglo XIX eran varias veces mas ricos que lospobres de los pafses subdesarrollados de hoy; sin embargo,estes podrian gozar de una alimenlacion mejor que aquellos.Trevor Logan ha analizado la variaci6n porcentual (elasticidad,dicen los economistas) de la demanda de calorias con elporcentaje de aumento de los ingresos. Bajo la hlpotesls deque una mayor elasticidad indica una mayor pobreza, lIega a laconclusion de que, 0 bien los obreros de 1888 eran mas po-bres de 10 que se piensa, 0 bien los pafses subdesarrolladosde hoy 10 son men os, 0 ambas cosas. En cualquier caso, sehabrfa estado creciendo, en unos lugares, en otros 0 en todos,mas de 10 q ue se cree. Si ssta claro cuando un individuo esrico, el grado de riqueza de una naci6n parece un conceptomucho mas escurridizo.

L os nanotubos de carbone resultarfan unos ccnductores ideales en los circuitos avanzados, si no fuera por el esfuerzo necesa-rio para alinearlos. La eleclricidad fluye mas rapldo por ellos que por el silicio, Los nanolubos pueden medir solo una quintaparte de las dimensiones minimas de los componentes de silicio; se prestan muy bien para los disposilivos electronlcos flexibies.Para construir circuitos con nanotubos, se buscan sustratos que orienten los nanolubos de modo natural. Se ha encontrado yauno, el zafiro. Su crista I hexagonal se eleva sobre una base plana; en la mayoria de sus secciones ver1icales, los atornos deoxfgeno y aluminio se disponen de manera que favorece la forma-cion de nanotubos en hileras ordenadas. Conlamos con transistorescon nanotubos alineados de ese modo. Para ello, se cubre zafirocomercial con ferrltina, una protefna en forma de [aula, y se horneamientras fluye sobre el un hidrocarburo gaseoso. EI hierro de laproteina cataliza el crecimiento de nanotubos de pared unica a partirdel carbone cedido por el gas. Cuando el zatiro esta cubierto denanotubos, se colocan in situ los electrodos rnetallcos: con oxfgenogaseoso muy ionizado se eliminan los nanotubos reslanles. Esta nue-va tecnica evita las perdidas de carga (el zafiro es aislante) y ofreceuna densidad de nanotubos alineados mayor. Pero debe garantizarseque los nanotubos sean semiconductores.

-Charles 0. Cho!

Un sustrato de zariro. compuesto de atornos de aluminio {alu/)y de oxfgeno (raja), orienta de modo natural los nanotubos de carbono.

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i~ I,J ,f*, ; . ; ~


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A c e l e r a d o r e sd e p la s m aU n n u e v o m e to d a d e acaleracinn d e p a r t f c u la s ,e n e l c u a l la s p a r t l c u l a s a v a n z a n s o b r e u n a o n d a d e p la s m a ,p ro m e te a p l ic a c io n e s d e m u y d iv e r s o t ip o

C h an dra sh ek ha r J osh i

L O S A C E lE R A o o R E S D E S o B R E M E S A q ue p ru du c snhacas de o lectrones en un in te rva lo en tre 100Y 200 m ill ones de e lec trnnvo lt {M eV) son uno m asde los tipos de m aqu inas basad as en la ace le rac i6np ar p la sm a .

A lgunas de las preguntas mas profundas sobre lanaturaleza del universo se contestan gracias a losaceleradores de particulas. Esas maquinas enormesaceleran, hasta casi la velocidad de la luz, particu-las dotadas de carga y las hacen chocar entre sf.Recrean de ese modo las condiciones de nuestrouniverso cuando nacia en Ia gran explosion. Con el analisisde los restos que las colisiones dejan tras de S 1 esperamosdescu brir la interconexion entre las fuerzas y partfculas deluniverse, que tan dispares parecen, para fonnular una teoriaunificada, Por desgracia, cuanto mas cerca se esta de esasolucion, mayor es la energia y el coste de los aceleradoresde particulas necesarios para seguir adelante.EI Gran CoIisionador de Hadrones (LHC). de 8,6 kilo-metros de diarnetro, ahora en construccion en el CERN, ellaboratorio europeo de ffsica de particulas que se encuentraen la frontera franco-suiza, va a ser el mayor acelerador departfculas del rnundo. Cuando quede terminado en 2007, lascolisiones de sus dos haces de protones, de siete billones deelectronvolt, nos haran saber de donde reciben las partfculassn masa, (Un electronvolt es la energfa cinetica que una dife-rencia de potencial de un volt proporciona a una partfcula conuna carga de la misma magnitud que la del electron.) Otrasmaquinas actualmente en funcionamiento intentan explicarpOI que el universo coutiene mas materia que antimateria ynos van dando una idea del estado primordial de la materia,el plasma de quarks y gluones, Todos estos colisionadores sebasan en un metodo que tiene ya muchos anos: acelerar laspartfculas con rnicroondas.

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Durante los iiltimos sesenta afios,estas rnaquinas y sus precursorashan venido posib ilitando notab lesdescu brirnientos sobre Ia naturale-za de las partfculas fundarnentalesy el cornportamiento de la materianuclear. Los avances en la ciencia yla ingenieria de los aceleradores departfculas, al decuplicar la energia deesas maquinas cada decada, facilita-ron ese ftujo continuo de revelacionesL,Continuaran tales avances?Las maquinas basadas en rnicroon-das podrian estar acercandose a loslfmites de 10 que es tecnica y econo-micarnente factible. En 1993, el Con-greso de los Estados Unidos cancel6el proyecto del SupercolisionadorSuperconductor, con un presupues-to de 8000 millones de dolares, unacelerador de 28 kil6metros de dia-metro que habrfa doblado con crecesla energia del LHC. Muchos ffsicosde partfculas esperan que al LHCle siga un colisiooador lineal de 30kil6metros de largo, pero quien sabesi ese proyecto, de muchos miles demillones de euros, acabara mejor queel Supercolisionador.Quizas oportunamente, estan apa-reciendo nuevos sistemas de acele-raci6n de partfculas basados en elplasma, el cnarto estado de la ma-teria (junto al s6lido, el Ifquido yel gaseoso). Hay muchas esperanzasde que con ellos puedan construirse

aceleradores para Ia ffsica de las ener-gias mas altas (100.000 millones deelectronvolt, y min mas). Reducirianmuchfsimo tarnafios y costes,No todos los aceleradores songigantescos instrumentos para la ff-sica pura, con energfas cercanas ala frontera de las altas energias. Se

utilizan maquinas mas pequefias paraIa ciencia de materiales, la biologfaesrru ctu ral, la m ed ic ina nu c lear, Iainvestigacion de Ia fusion nuclear, laesterilizacion de alimenros, la trans-mutaci6n de los residuos nucleares yel tratamiento de ciertos tipos de can-cer. Estas maquinas menares produ-cen haces de electrones 0 de protonesde energia no muy alta -en el inter-valo comprendido entre 100 millonesy mil millones de electronvolt-, peroocupan todavfa grandes espacios enlos laboratorios. Los aceleradares deplasma, de "mesa de laboratorio", po-drian, pese a su pequefiez, generarhaces de electrones en ese rnisrnointervalo de energias.Microondas 0 plasmaAntes de entrar a detallar la nuevatecnologfa, nos sera de ayuda repasarlos fundamentos de los acelerado-res. Se los puede clasificar de variasmaneras, rnuy generales. En primerlugar, propulsan particulas ligeras(los electrones y los positrones) 0pesadas (protones y antiprotones).En segundo lugar, para acelerar laspartfculas las lanzan par una linearecta que recorren una sola vez 0 parun anillo circular en el que descri-ben rnuchas orbitas. EI LHC es unanillo donde chocaran dos haces deprotones. EI colisionador que se es-pera construir despues del LHC seraun acclerador lineal, de electrones ypositrones. La energia en el puntode colision sera en un principio dealrededor de medio TeV (un bi1l6nde electronvolt). A tales energfas, setieueu que acelerar los electrones ylos positrones en linea recta; en unanillo habria una perdida excesiva de

1 0

e g l a s m a

energfa, evacuada por la "radiacionde sincrotr6n" que los electronesem iten en esas c ircu nstanc ias. L osaceleradores de plasma se prestansobre todo a la aceleracion lineal deelectrones y positrones.Un colisionador lineal ordinarioacelera sus particu las mediante uncampo electrico que avanza sincro-nizado con las partfculas. La "cavi-dad de onda lenta" (un tubo rnetalicocon diafragmas dispuestos peri6di-camente), genera el campo electricomediante una potente radiaci6n demicroondas. Que la estructura seametalica limita la intensidad del cam-po acelerador, En un campo de entre20 y 50 millones de volt por metro,tiene lugar la ruptura electrica: saltanchispas y hay descargas de corrientedesde las paredes de las cavidades.Como el campo electrico tiene queser menor que el umbral de ruptura,se necesita una trayectoria de acele-racion mas larga para a1canzar unadeterminada energfa. Por ejempJo,un haz de un bill6n de electronvoltrequerirfa un acelerador de 30 kilo-metros de largo. Si pudieramos ace-lerar partfculas mucho mas rapida-mente de 10 que perrnire el lfmite deruptura electrica, el acelerador seriamas corto. Aquf es donde intervieneel plasma.A ce le rad or de p la sm aEn un acelerador de plasma, eJ pa-pel de la estructura aceleradora 10desernpefia el plasma, un gas ioni-zado. La ruptura electrica ha deja-do de constituir un problema paraformal" parte del disefio: el gas esta"roto" desde el principio (es decir,las cargas positivas y negativas estanseparadas; por eso es un plasma). Lafuente de energia no es la radiacionde microondas, sino un rayo laser 0un haz de partfculas cargadas.A primera vista, los rayos laser ylos haces de particulas cargadas noparecen muy apropiados para la ace-leracion de particulas. Tienen camposelectric os muy intensos, pero son per-pendiculares, en muy buena medida,a Ia direccion de propagaci6n. Paraque sea eficaz, el campo electricode un acelerador tiene que apuntaren la direcci6n en que se mueve Iapartfcula. A un campo asf se le Ila-ma longitudinal. Afartunadamente,cuando se envta un laser 0 un hazde paruculas cargadas a traves de

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R E G IM E N D E B U R B U J A :Un acslerador de campo de estela proporciona la fuerza impul-sera a part ir de una p1:irt \.Jrbaci6nde la carga el.8clrica: el campode estela. lEIpulso con'ductor, que puede ser un pulse corte deun laser 0 de. un haz ds eleotrones, empuja hacia fuera los elee-trones (aziJ~ de un gas ionizado -un plasma-, "con 10que seerea una regi6n de carqa positiva (raja). La carga posit iva atrasde nuevo a ios electrones, dotados de -carqa negativa, tras el

pulse conductor; forman asi una Gurbuja de elec\rones alredsdorde la regi6n positiva, A 10 l argo del eie por el que se propaga elhaz, el campo electr ico (represefltado abajo)se asemeja a unaola muy escarpada a punto de roptper. Este campo de estsladsterrnina que un pulse de elec:trones seguidor, atrapado cercade la parte posterior de la burbuja, sisnta una aoslstaclon muyfuerle hacia delante. .JJ--Sectr6n

PI:IIsoseguidor.kf)

pirecci6n ,del movimier(to

Pulse conductor

Plasma

Burbuja de electrones

un plasma, la interaccion con estepuede crear un campo electrico lon-gitudinal.Ocurre de esta manera: un plas-ma, en su totalidad, es electricamenteneutro; contiene tanta carga negativa(electrones) como positiva (iones).Un pulso intenso de un laser 0 deun haz de particulas, sin embargo,crea una perturbacion en el plasma;el haz empuja los electrones y lossepara de los iones positives, maspesados, que se quedan arras, crean-dose aSI una region de exceso decarga positiva y una region de excesode carga negativa (vease el recuadro"Regimen de burbuja"). La perturba-cion forma una onda que se propagapOI el plasma casi a la velocidad dela Iuz. EI potente campo electricoque apunta de Ia region positiva a Ianegativa acelerara cualquier partfculadotada de carga que caiga bajo suinflnencia,Un plasma puede albergar camposelectric os aceJeradores de una inten-sidad extraordinaria, Un plasma quecontenga JOI8 elecirones por cenu-

metro ctibico (cuantia que no es ex-cepcional), generara una onda con uncampo electrico maximo de 100.000mill ones de volt por metro; multipli-ca por mas de mil el gradiente deaceleracion en un acelerador de loscomunes, de microondas. Ahora vie-ne el problema: la longitud de ondade una onda del plasma es solo de 30micras, mientras que la longitud deonda de las microondas es del ordende 10 centimetres. Resulta mny diff-cil colocar nn paqnete de electronesen una onda microscopica.La idea de acelerar las particulascon plasmas se Ia debemos a JohnM. Dawson; la propuso en 1979. Pasomas de una decada antes de qne Josexperimentos demostraran que loselectrones podian ir montados en unaonda en el plasma y ganar energfacon ello. Se tienen que controlar trestecnicas diferentes -de los plasmas,los aceleradores y los laseres-c- yconseguir que actiien a la vez. Migrupo de la Universidad de Californiaen Los Angeles (UCLA) 10 logr6, demanera inequfvoca, en 1993. Desde

entonces, el progreso en este cam-po ha sido enonne. Dos tecnicas enparticular, el acelerador de campode estela de laser y el aceleradorde campo de estela de plasma, estandando resultados espectaculares. Pa-rece que con el campo de estela delaser se podra construir un aceleradorde sobremesa de baja energfa, y conel campo de estela de plasma, en elfnturo, un acelerador con energfascomo las que necesita la ffsica departicnlas.P ulsus de luzLos aceleradores "portatiles" de plas-ma son posibles gracias a los laseresintensos y pequefios de hoy. Laseresde titanio-zafiro que generan 10 te-rawatt (billon de watt) de potencia enpulsos de luz ultracortos caben aho-ra en una mesa grande [vease "Luzextrema", por Gerard A. Mourou yDonald Umstadter; INVESTlGACrONY CIENCIA, julio 2002].En los aceleradores de plasmaalirnentados por laser, se enfoca unpulso de laser ultracorto sobre un

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chorro de helio de un par de mi-Iimetros de largo. El pulso arrancainm ed iatam en te lo s e lec trones de lgas, que se convierte en un plas-ma. La presion de radiacion de esedisparo del laser es ian grande, quelos electrones, mucho mas ligerosque los iones, salen despedidos entodas direcciones. No van muy le-jos: los iones los vuelven a arrastrarhacia dentro, Cuando alcanzan el ejepor donde se propaga el pulso dellaser, 10 superan y acaban viajandode nuevo hacia fuera. Se produceasf una onda oscilante, el campo deestela de laser; recibe tal apelativoporque sigue el pulso del Hiser comola estela sigue al barco.Los electrones forman una estruc-tura en burbuja. Cerca del [rente dela burbuja se halla el pulso del Userque crea el plasma; en el interior,los iones del plasma. Esta burbujaes microscopica, con unas 10 micrasde diametro. El campo electrico dela region de la burbuja se aserneja auna ola, aunque rnucho mas escarpa-da. Caben otras estructuras, pero laburbuja parece ofrecer la manera masfiable de acelerar electrones.Si un dispositivo, un canon deelectrones por ejernplo, introduce un

electron externo cerca de donde hayaun exceso de electrones en el plasma,esa p artic ula an ad id a ex perim e nta raun campo electrico que tirara de ellahacia las cargas positivas del interiorde Ia burbuja. La onda avanza casia la velocidad de la luz, de maneraque hay que inyectar el electron auna celeridad sernejante, para quecoincida con la onda y obtenga ener-gia de ella. Sabernos por la teorfa dela relatividad que cualquier aumentoadicional de energia del electronvendra de un aumento de la masade la partfcula, no de su velocidad,El electron, por tanto, no acabaraadelantandose mucho a la onda deplasma: ira montado sobre ella yganara asi constantemente energia.Algunos de los electrones del propioplasma tambien quedaran atrapadosy se aceleraran de esa misma ma-nera, como la espuma de la crestade una ola.En 2002 Victor Maika y su grnpo,en el Laboratorio de Optica Aplicadade la Escuela Politecnica de Paris,mostraron que se podia generar unhaz de 108 electrones usando un cam-po de estela impulsado por laser. EIhaz estaba bien colimado, es decir,bien enfocado. Desafortunadamente,

los electrones acelerados ten fan unagama muy amplia de energfas, desdeuno a 2 0 0 m e g ae le c tr ou v u lt (MeV) .La mayorta de las aplicaciones re-quieren un haz de electrones dondetodos porten Ia misma energfa.Esta dispersion de energfas OCUITfporque los e1ectrones eran atrapadospor la onda del campo de estela envarios puntos y en iiempos distintos.En un acelerador cormin, las partfcu-las que se han de acelerar se inyectanen un solo lugar, cerca del pica delcampo electrico. EI grupo de MaIkapenso que una inyeccion tan exactaera imposible en un acelerador decampo de estela de laser porque suestructura aceleradora es microsco-pica y de breve duracion.Pero el azar acabo con la aporia.En 2004 tres grupos que competfanentre sf, de Estados Unidos, Franciay el Reino Unido, se encontraron almismo tiernpo con un nuevo regi-men ffsico, en el cual los electronesautoatrapados se deslizaban sobreel plasma como un solo grupo; as 1,todos alcanzaban la misma energfa,Los tres grupos utilizaron laseres depotencia mayor que en experirnentosanteriores: de 10 terawatt en adelante.Cnando un pulso de laser tan potente

A C E L E R A O O R D E C A M P O D E E S T E L A P O R L A S E R

Espectro de energfade los electrones

Un acelerador de plasma de sobremesa enfoca un rayo laserde alta intensidad sobre un chorro supersonlco de heliogaseoso (izquierda). Un pulso del hal produce un plasma enel chorro del gas; el campo de estela acelera algunos de loselectrones desalojados. EI pulso de electrones que resultase colima y atraviesa un campo rnacnetico, que desvfa loselectrones en diversos grados sequn sea su energia. Todoel acelerador puede caber en un banco 6ptico de un metroveinte por uno ochenta.

Los haces de electrones (paneles de la derecha) genera-dos por el primer acelerador de sobremesa, en el Labora-torio de Optica Aplicada de la Escuela Polltecnica de Paris,

ilustran como se super6 uno de los principales obstaculosimportantes. Algunos de los electrones se aceleraron hastalos 100 MeV, pero los hab ra de todas las energfas, hastao MeV (a). Adernas, el hal divergfa en casi un grado. Encambio, el regimen de la "burbuja", descubierto hace poco,qenero un hal monoener-qetico de unos 180 MeVcon una dispersi6n angu-lar mucho menor (b ) . Unhal tan hornoqeneo yafilado resulta mas utilpara las aplicaciones.

Placa de imagensensible a electrones

Electroiman

Chorro supers6nico de gas

12 INVESTIGACIONCIENCIA,abril, 2006


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D IS P [ ] S IT IV O S D E P O S C O M B U S T I[ ] N D E P L A S M ASe ha Ilevado a cabo recientemente la aceleraci6n experimental de campo de estela deplasma. Se utiliz6 un haz del Colisionador Lineal de Stanford (SLC). EI acelerador agreg6 4GeV de energfa a un haz de electrones en apenas 10 centlmetros, aumento de energfa quehubiera requerido un tramo de 200 metros de un acelerador de microondas.Un ho rne vaporiz6 capsu l as de litio. Un pulso intense de electrones (raja) ioniz6 el

vapor para producir un plasma. EI pulse expuls6 los electrones del plasma (azu~, donde seestableci6 entonces un campo de estela -una perturbaci6n de carga- dstras del pulse,Los electrones s i tuados en dicho campo de estela experimentaron una potente aceleraci6n(flechas naranja).

CapSUlaSie lilio I~ ~ ~ . . . . ; ; ; ; ; , . ~ ~ . . . . . : : : : > ~ ~ ~

- Vapor de litio

\".... Ho rno

En ausencia del litio (a), elhaz de 30 GeV del SLC erabastante rnonoenerqetico (Iaenergfa se representa enel eje vertical). Despues depasar po r 10 centfmetrosde plasma de litio (b), lamayorfa de las partfculas delhaz perdieron energfa en lageneracion del campo de es-tela del plasma (cola raja). EIcampo de estela acelera unpsquerio nurnero de electro-nes que estaban en la parteposterior del pulse hasta unaenergfa mas alta (regi6n azulsupet tot;

Espectro de energfade los electrones

se propaga a traves del plasma, sehace a la vez mas corto y mas estre-'f cho: de ese modo se crea una gran!urbuja electr6uica que atrapa loselectrones del plasma. Estos electro-~ nes autoatrapados son tan numerosos,

~i~ que extraen una considerable canti-~ ~ dad de energia de la estela, con 10~ ~ que impiden mas atrapamientos. Los

0:::'i;;; de mas alta energia van dejando atras~~~: ' i la estela, pero entonces empiezan a~~ perder energfa; mientras tanto, los~~ electrones rezagados, de energfa mas~~ baja, todavia la estan ganaudo.~ ~ EI resultado es uu baz de electro-nes con poca dispersi6n de energfas.En los experirnentos de Maika, ladispersion de energfa se redujo deun 100 por ciento a solo un 10 porciento, con hasta 109 electrones porhaz. La dispersi6n angular del hazfue tambien mucho mas angosta queen experimentos anteriores, compa-rable con los mejores haces produ-cidos por los aceleradores linealesde microondas. El haz de electrones

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generado (en realidad un pulso) teniauna longitnd de solo 10 femtosegun-dos (10-14 segundos), el mas cortojamas producido pOI un acelerador, 10que 10 hacfa atractivo como potencialfuente de radiacion para la resolucionde procesos qufmicos y bioI6gicosultrarrapidos. EI pulso de electronesse podfa dirigir sobre un blanco demetal delgado para crear un pulse derayos X de analoga brevedad. Esperoque en uno 0 dos afios vearnos apli-caciones de rayos X provenientes deaceleradores de sobremesa.L,Como se puede aumentar min masla energfa del haz de electrones, hastaobtener un acelerador de campo deestela de laser de mil millones deelectronvolt (GeV)? Habrfa que crearuna onda de plasma que persistiesesobre una distancia de cerca de uncentimetre y no ya de s610 un par dernilfrnetros. EI rayo laser que excitala onda, por tanto, deberia manteneruna intensidad elevada en el plasmadurante un tiernpo mas largo; para

ello deberia servirle de gufa una"fibra de plasma". Un metodo muyprometedor consiste en usar una fi-bra de plasma prefonnada; se estaintentaudo en el Laboratorio Nacio-nal Lawrence de Berkeley. Eu esteprocedimiento, los electroues tienenuna densidad mas baja a 10 largo deleje del plasma. Por eso, el canal delplasma presenta un Indice de refrac-ci6n mas alto a 10 largo de su ejeque en sus bordes, justo la condicionapropiada para que el canal actuecomo una fibra 6ptica que guie elrayo laser. Los experimentos de Ber-keley han demostrado ya que talescanales generan haces de electronesrnonoenergeticos. Es probable queotras rnejoras del metodo lleven enun futuro muy cercano al primer ace-lerador de plasma de sobrernesa conenergfas del orden de los Gev'A lc a n z a r la f r o n t e ra enerqaticaL C6mo se podria arnpliar estos ace-leradores de plasma impulsados por

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laser de esc ala centimetrica para quegeneren las energias del orden delT~Y q ue interesan a lo s ffsic os departiculas? Cabna encadenar cente-nares de pequenos rnodulos de ace-leracion de plasma por laser, de rna-nera que cada uno proporcionara unaumento de energia neta de algunosGeY. Combinandose por etapas escomo consiguen los aceleradores demicroondas tan altas energias. Peroen los aceleradores de plasma, esaarquitectura segmentada presentaenormes complicaciones.Por eso, hoy se prefiere el metodode la "poscombustion" 0 "posacele-racion" de plasma, que con una solaetapa de aceleraci6n de campo deestela de plasma dobla la energia ob-tenida en un acelerador corruin. Eneste metodo, un acelerador ordinarioaporta ados pulsos de electroneso de positrones energfas de varios

cientos de GeV, El primer pulso, el"conductor", contiene el triple departfculas que el segundo, el pul-

so "seguidor". Ambos pulses duransolo unos 100 femtosegundos y es-t a n sep arados p or o tro s 100 tem to-segundos. Como en un ace1eradorde campo de estela de laser, cuandoel pulso conductor se enfoca haciael plasma se produce una burbujade campo de estela (siempre que elhaz sea mas denso que el plasma).El proceso remeda el del campo deeste1a de laser, con una salvedad:el campo elecrrico del haz de par-ticulas es el que empuja y no lapresion de radiacion del rayo laser.La burbuja electr6nica contiene elhaz seguidor, rapidarnente aceleradopor la componente longitudinal delcampo electrico resultante.EI acelerador de campo de estelade plasma esta despertando un granentusiasmo entre los ffsicos que tra-bajan en tecnicas avanzadas de ace-Ieracion. En particular, tres avanceshan motivado semejante agitaci6n;en ellos participaron expertos de laUCLA, de la Universidad del Sur de

California y del Centro del Acelera-dor Lineal de Stanford (SLAC). Sev alie ro n de h ac es de l C olis ion adorLineal de Stanford.Primero, y es 10 mas irnportante,corisiguieron resolver el problemade que los aceleradores de plasmaimpulsados por laser tuviesen s610algunos milfmetros de longitud: hi-cieron un acelerador de plasma deun metro de largo tanto para elec-trones como para positrones. Congran habilidad, lograron que loshaces conductores se mantuviesenestables sobre una longitud tan lar-gao En segundo lugar, consiguie-ron mas de 4 GeV de aurnento deenergia para los electrones en s61010 centfrnetros. Este aumenlo de laenergia estaba limitado solamentepor consideraciones practicas, y nopor ningun problema cientffico; canalargar e1 plasma, el incremento se-ria aiin mayor.Finalmente, demostraron que elplasma afilaba aun mas un haz ya

M E J O R A D E U N A C E L E R A D O R O R D I N A R I O ;Un experimento a gran escala, con el Colisionador Lineal de Stanford (SLC),podrfa demostrar la viabilidad de los dispositivos de poscornbustion, 0posace le rac i on , de campo de estela de plasma como medio para aumentarla energia de un acelerador, por 1 0 dsrnas ordinario. Los dispositivos de pos-combusti6n ( recuadra) , que constan de dos unidades de 10 metros de largoinstaladas en el extrema de los haces de electrones y positrones de 50 GeVdel SLC, de 3 kilometres de largo, doblarfan las energias de los haces hasta100 Gev. Lentes de plasma ayudarian a enfocar los haces de energia doblepara que chocaran en una zona muy pequeiia. Por razones tscnicas, el dispo-sitivo de posco rnbust i on de electrones se lIenarfa de plasma, mientras que el /'dispositivo de poscombusti6n de positrones tendria un canal axial hueco. r'A un no se cuenta con fondos para este experimento. ",,//.

Haz de positrones

Haz de electrones

D IS PO S IT IVO S D E P OS CO M BU ST IO N D E P LA SM A

IPlasma Electronesde 50 GeVPos i f r onesde 50 GeV Lente de plasma1---- --~-- ..-."~20 metros

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focalizado de electrones 0 de posi-trones; reducia su grosor a la rnitad,si no mas. La rnejora es significa-tiva para un colisionador, que debeenfocar las particulas aceleradas so-bre un punto muy pequefio. Cuantomas estrechos sean los haces, mascolisiones se produciran. Y en uncolisionador, el ritrno de colisionesconstituye un pararnetro determinan-te, del rnismo rango que la energfatotal.Estos avances han movido a pen-sar en la posibilidad de llevar elrnetodo del plasma hasta la fronterade las altas energfas, pero primerohabra que pro bar con un aceleradorde los ya disponibles. Se podrfaninstalar un par de dispositivos decampo de estela de plasma a amboslados del punto de colisi6n del Co-lisionador Lineal de Stanford. Esodoblaria las energias de los haces,de los actuales 50 GeV a 100 GeY.Cada dispositivo de poscornbustionde plasma tendrfa unos 10 metros delargo. Aunque no hay fondos asig-nados todavia para tal proyecto, elSLAC ha propuesto al Departamentode Energia la construcci6n de unalinea de haz de alta energia llama-da SABER a fin de impulsar estainvestigacion.He descrito estos aceleradores deplasma tan s610 como aceleradoresde electrones. A fin de acelerar par-ticulas cargadas positivamente, comolos positrones, el campo electricodebe invertirse. Para ello, se esta-blece que el pulso conductor sea depositrones. La carga positiva de estehaz dirige los electrones del plasmahacia dentro; igual que antes, supe-ran el eje central y forman una burbu-ja. La direccion del campo electrico

se invierte en comparaci6n can Iaconfiguraci6n del haz de electronesdescrita, tal y como se requiere paraacelerar un haz seguidor de posi-trones.Adernas, estas rnaquinas de plas-ma pueden acelerar partfculas maspesadas, protones por ejernplo. Paraello, las particulas inyectadas debenviajar a casi Ia velocidad de la luz, demanera que la onda del plasma no lasdeje arras. En el caso de los protones,significa que la energia de inyecci6nha de ser de varios Ge Y.Son rapidos los progresos en posde un acelerador de plasma. Aun-que muchos de los problemas fisicosfundamentales estan solucionados, larealizacion de dispositivos practicestodavia plantea dificultades formida-bles. En particular, la calidad del haz,la eficiencia (Ia parte de la energfadel haz conductor que acaba en laspartfculas aceleradas) y las toleran-cias de alineaci6n (los haces se debenali near con precision de nanometroscon el punto de colisi6n) todavta noson las adecuadas. Finalmente, cuen-ta tarnbien el ritrno de repeticion deldispositivo (cuantos pulsos se acele-ran por segundo).Llevo 75 afios a los aceleradorescomunes alcanzar energfas de co-lision electron-positron del ordende los 200 Ge Y. Los aceleradoresde plasma estan progresando a un

ritrno mucho mas rapido. Se esperaque en diez 0 veinte afios superena los sistemas de microondas enla ffsica de altas energias. Muchoantes, se tendran gracias al campode estela de laser aceleradores deso bremesa con energfas del ordende los GeV para una rica variedadde aplicaciones.

E I a u to rC handrashekhar Josh i es pro fesor de ingen ierfa elE lctrica en la Universidadde C alifo rnia en los Angeles. D irige alii el centro de electronic a de alta t recusnc iay el laboratorio Neptuno de tacn icas de ace lerac inn avanzadas.

B i b l i o g r a f i a c o m p l e m e n t a r i aACELERADORES DE PART icU LAS M ED IAN TE PL I\SM A . John M . Daw son en Invest igac i t in

y Ciencis , n. ? 152, pags. 2634; mayo 1989.P LA SM A A CC ELE RA TO RS A T THE E NE RG Y FR ON TIE R A NO O N TA 8LE TO PS . C handrash ekhar Josh i

y Thomas Katsouleas en P hy sic s T od ay , vol. 56, n .D 6; paqs. 4753; junio 2003.A CC ELE RAT OR P HYS IC S: E LE CT RO NS HA NG T EN O N lA SE R W AKE . Th omas Katsouleas en Nature ,

vol, 431, pags. 515516; 30 d e s ep tie m br e 2004.

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os aficionados a las histo-rietas graficas saben que losrelates mas solicitados sonaquellos en los que un su-perheroe aparece por prime-ra vez. En fecha reciente,un cuaderno de esos tebeos publicadoen 1962 donde se mostraba la prime-ra aparicion de Spiderman se vendioen una subasta por 122.000 d6Iares.Lamentablemente, las publicacionesque describen un descubrirnientocientifico de importancia no alcan-zan tales precios. Para los cientfficos,sin embargo, estas primicias tienenun gran valor.Tomemos el ejemplo de 10 ocurri-do en 1995, cuando Abraham "Avi"Kupfer, del Centro Medico y de In-vestigacion Nacional Judio de Den-ver, se planto ante un confiado grupode varios centenares de inmunologosque acudfan a una de las conferenciasKeystone. La presentaci6n de Kupferincluia las primeras imagenes tridi-mensionales de celulas inmunitariasen mutua interaccion. Los congrega-dos segufan absortos una exposici6nen la que Kupfer iba mostrando, unatras otra, imageries de proteinas quese organizaban y adoptaban el patronde una diana en el area de contactoentre las celulas.La audiencia capto de inrnediato elsignificado inequivoco de las image-nes, Ala manera de las sinapsis, queconectan las neuronas en una red decomunicaci6n nerviosa, el contactoentre celulas inrnunitarias se estable-cia a traves de agregados proteicosorganizados, Se percibian con nitidezanillos extemos de moleculas quemantenian adheridas a las celulas, asfcomo agregados internos de protefnasen plena interaccion, caracteristicosdel dialogo intercelular,Se habia propuesto con anteriori-dad Ia hip6tesis de que las celulas

inmunitarias -que deben intercam-biar y almacenar informacion durantela deteccion de enfermedades y a lahora de responder ante elJas- po-drfan compartir mecanismos con lasneuronas, consumadas comunicado-ras. Por fin, se presentaban pruebasexperimentales (informacion estruc-tural) que concordaban con la teoria.Cuando Kupfer termino, la sala esta-110en un prolongado aplauso. Siguioun aluvi6n de preguntas.Un decenio mas tarde, la sinap-sis inrnunitaria sigue planteando in-tenogantes sobre la generacion de laarquitectura sinaptica, la regulaci6nde la cornunicacion interceluIar, laaparicion de enfennedades debidas ala disfunci6n de esta cornuuicaciony la explotacion de este mecanismopatogenico por parte de agentes pa-t6genos.EI descubrimiento de esta estructu-ra inmunitaria y su posterior explo-racion no hubieran sido posibles sinlas nuevas tecnicas de microscoplade alta resolucion y el refinamientoinforrnatico de los antiguos rnetodosde formaci on de imageries. EI saberque un pensamiento, la sensaci6n queprovoca una caricia y la deteccion deun virus en el torrente sanguineo pre-cisan de una coreografia molecularparecida proporciona un nuevo marcopara comprender la inmuuidad.A r q u i t e c t u r a s i n a p t i c aLa posibilidad de que las celulasinmunitarias dirigiesen su comuni-cacion resultaba ya evidente muchoautes del descubrimiento de la sinap-sis inmunitaria. Se sabia que, paracomunicarse entre sf y con otros tiposde celulas, las inmunitarias segre-gab an citoquinas. Sin embargo, almenos algunas de estas proteinas nooperaban como horrnonas, que circu-Ian por todo el cuerpo difundiendo

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ampliamente su mensaje. En vez deello, las citoquinas apenas se detecta-ban en sangre y parecian actuar s610entre celulas en contacto.Esta capacidad para intercarnbiarsefiales quimicas solo con un vecinodeterrninado reviste suma importanciapara las celulas inmunitarias, A dife-rencia de las neuronas, que tiendena forrnar conexiones estables a largoplazo con otras celulas, las celulasinmunitarias establecen contactos fu-gaces conforme recorren el cuerpoen busca de signos de enfermedad 0intercarnbian informaci6n sobre pe-ligros presentes. Cuando una celulainmunitaria encargada de detectar lapatologia se encuentra con otra ce-lula, dispone de un par escaso derninutos para decidir si su objetivoesta sana 0 no. Si no 10esta, la celulainmunitaria, en funci6n del tipo quesea, puede matar directamente a lacelula enferma 0 tocar a rebato paramovilizar a otros cornbatientes delsistema inmunitario, que asumen latarea. Un error en la comunicacionllevaria a las celulas inmunitarias amatar celulas sanas, como ocurre enla esc!erosis multiple y otras enfer-medades autoinmunitarias, 0 a per-mitir que celulas cancerosas sigancreciendo de forma descontrolada. Deahi el interes de los inmun6Jogos enaveriguar que moleculas intervienenen estos dialogos y que mutuas in-teracciones desarrollan para tomardecisiones de tanta importancia.A principios de los afios ochentadel siglo pasado, expertos del Labo-ratorio de lnmunologia del InstitutoNacional de la Salud (NIH) cornenza-ron a investigar la posibilidad de queuna interfaz estructurada permitieraa las celulas inmunitarias dirigir susecrecion de citoquinas hacia otracelula. Dado que las membranascelulares, formadas sobre todo porlfpidos y proteinas, son ftuidas, lasprotein as se desplazarfan con fa-cilidad hacia el punto de contactoentre dos celulas y formarian alliuna arquitectura organizada, comoocurre cuando las neuronas entranen conexi6n con otra celula.La hipotesis del grupo del NIHtorno cuerpo a partir de experimentosque demostraban que la agrupacionde proteinas especfficas en Ia super-ficie de celulas T (celulas inmunita-rias) desencadenaba la activacion deestas. En 1984, Michael A. Norcross,

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de Yale llevaron a cabo un expen-mento que confirmaba que las celu-las inrnunjtarias secretaban protein asen una direccion determinada. Ta-ponaron con celulas T los poros deuna membrana que dividia en dosun cornpartimento que contenfa unadisolucion. Mediante la adicion deun estimulante a solo uno de los la-dos de la membrana, activaron lascelulas T, que luego comenzaron asecretar protemas hacia el origen dela estimulacion (no hacia Ia disolu-cion libre de estimulante), al otrolado de Ia membrana.En 1994, animados por esta ob-servacion, William E. Paul y RobertA. Seder, del NIH, recuperaron laidea de que Ia sinapsis inrnunitariacorrespondfa a la conexion que per-mina la cornunicacion entre celulasinmunitarias y otras celulas. Segunsu rnodelo, la sinapsis constaba dedos superficies celnlares muy proxi-mas, con una disposicion estructu-rada de proteinas receptoras en unade las superficies, enfrentadas a suscorrespondientes Iigandos en la ce-lula adyacente. Dado que las celulasinmunitarias se desplazan mas que lasneuronas, Paul se refirio a Ia sinapsisinmunitaria como una nnion "de quitay pon", a diferencia de las conexionesneuronales, a largo plazo.A mediados de los noventa, la si-napsis inmunitaria se ofrecla comoun concepto arriesgado, sin respaldoexperimental. Hasta que Avi Kupferexhibio sus diapositivas en el sim-posio Keystone. Las imageries mos-traban interacciones entre celulaspresentadoras de antigenos (CPA),celulas inmunitarias encargadas dedegradar las proteinas del agenteinvasor (un virus, por ejemplo) ymostrar los fragmentos proteicos a

las celulas T, que se activan cuandoreconocen uno de tales antigenos. Aestas disposiciones proteicas en for-ma de diana localizadas en la interfazentre las dos celulas Kupfer las de-nomine "cornplejos suprarnolecularesde activacion" (CSMA).De forma independiente, MichaelL. Dustin, Paul M. Allen y AndreyS. Shaw, de la facultad de medicinade la Universidad de Washington enSan Luis, junto con Mark M. Davis,de la Universidad de Stanford, ha-bian tambien obtenido imageries dela activaci6n de las celulas T, aunquesiguiendo un proceso diferente, Envez de observar la inreraccion entredos celulas, sustituyeron la CPA porun sucedaneo de membrana: una capade lipidos procedentes de una celulareal dispuesta sobre la superficie lisade un portaobjetos de vidrio. A estamembrana lipidica extendida sobreun soporte de vidrio afiadieron lasprotefnas clave que suelen hallarseen la superficie de las CPA, cadauna marcada con un colorante fluo-rescente de un tono distinto. Con-templaron entonces la organizacionde las proteinas rnarcadas conformelas celulas T se depositaban sobrela membrana.El grupo de Dustin detect6, asi-mismo, la aparicion de patronesde protefnas con forma de diana amedida que las celulas T sondeabanlas proteinas de la faIsa membrana.Quedaba claro que la formacion deuna sinapsis estructurada no requeriala intervencion de dos celulas; bas-taba con que una celula inmunitariaentrara en contacto y reaccionara anteuna estructura proteica artificial.Este trabajo puso de manifiesto elcaracter dinamico de la sinapsis: ladisposicion de las protefnas cambia

del NIH, publico un articulo donde sesugeria la posibilidad de que el siste-ma nervioso y el sistema iumunitariose valieran de un mecanismo corminde cornunicacion mediante sinapsis.Por desgracia, aparecio en una revistade poca difusi6n; adernas, algunos delos detalles moleculares uo estabaninc1uidos. El primer modelo sinapti-co de la comunicacion entre celulasinmunitarias se olvido pronto. Peropermaneci6 el interes por saber si lascelulas inmunitarias orientaban susmensajes y c6mo 10 hacian.En 1988, Charles Janeway Jr. ysus compafieros de la Uuiversidad

3. E N U NO D E lO S P RIM ER OS experim entos de obtsnclunde imagenes para el estudio de la estructura de la sinapsisinmun ita ria , M i ch a el l. Dustin y s u g ru po emp le aro np ro te in as r n a r c a d a s por f luo rescencia B in teg rad as en u namembrana c e l u l a r a rtific ia l. E sta s p ro te in as r e m s d a n elpreceso sinaptlco cuando una calu la T del lado opuesto dela m em brana (que no s e o bs erva p orq ue n o es ta m arca da )

e mp ie za a intera cc io na r c on e lias . P r i m a r o , l as p ro te inasp orta do ra s d e u na m o l e c u l e t ip o a nt ig en o (verde) form an una nillo ex te rn o, c on m e t a c u l a s d e a dh e sio n (rojo) agrupadasen el Inter ior. E n el t ranscursn de 60 minu tes , su dispns i -cion S8 invierte en un proceso que rem eda l a i nt e ra c c in nqu e t iane lugar en una slnapsis entre cs lu las T y cshilasp re se nta do ra s d e an t igenos r ea les .

. , . . . . . , ~ , . It. . ", ,. . .0,5 1,5 3 5 10 30 60minuto

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a medida que progresa la cornunica-cion entre celulas. Se observe que losreceptores de las celulas T que inte-raccionan con los antfgenos se acu-mulaban primero forrnando un anilloalrededor de un complejo central deprotefnas de adhesion, creando unasinapsis inmadura de las celulas T.Luego, esa estructura se invertfa, deforma que en la sin apsis madura lasmoleculas de adhesion formaban unanillo externo de la diana, alrededorde un complejo central de receptoresde celulas T en plena interaccion.Desde que Kupfer y Dustin pu-blicaron sus primeras imagenes deIa sinapsis de las celulas T, se hanobservado divers os patrones de es-tructuras sinapticas entre otros tiposde celulas inmunitarias. En 1999, elpropio autor, cuando trabajaba conJack Strominger, de la Universidadde Harvard, descubrio una sinapsisestructurada formada por una celulaasesina natural (celula AN), un tipodistinto de leucocito; este hallazgorespaldaba Ia generaIidad de las pri-meras observaciones. EI estudio dela formaci6n de dichas estructurasmoleculares dina micas y del controlde la comunicaci6n entre celulas in-munitarias define la nueva cienciaque ha surgido del concepto de si-napsis inmunitaria.C o r e o g r a fl a m o le c u la rLas observaciones de la estructurade las sinapsis inmunitarias incitaronenseguida a los expertos a investigarqne insta a las protefnas celulares amoverse hacia los puntos de contactoentre las celulas y a organizarse for-mando patrones especificos. Uno delos coordinadores de los movimientosde las proteinas presente en todaslas celulas es el citoesqueleto, unentrarnado de filamentos que cons-ta de largas cadenas proteicas cuyalongitud puede aumentar 0 disrninuir.AncIado a la superficie de la celu-la mediante protefnas adaptadoras,el citoesqueleto empnja 0 tira dela membrana celular, haciendo quelos rmisculos se contraigau 0 qne losespermatozoides naden.Los experimentos demostraron que,cuando se inutilizaba con toxinasel citoesqueleto, aIgunas protemasperdfan Ia capacidad de desplazarsehacia la sinapsis inmunitaria. Ello su-gena que las celulas control an dondey cnando se acumulan las proteinas en

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la sinapsis mediante el movimiento delos filamentos del citoesqueleto.Se han propuesto otros dos meca-nismos que participarian en la or-ganizacion de las protefnas en Iasinapsis. Segun un modelo, habrfapequefias plataformas, formadaspor unas cuantas protefnas, que seagruparfan en las membranas celu-lares y se desplazarfan juntas por Iasuperficie celular, con la ayuda delcitoesqueleto. Cuando estas "balsas"moleculares se reunen en Ia sinapsiscon las proteinas receptoras clave quedetectan Ia enfermedad en una celulavecina, su interaccion activarta a lacelula inmunitaria, Pero la existen-cia de estas plataformas no se hallaexenta de controversia. Debido a sutarnafio redncido, resultan invisiblesal microscopio optico, razon por lacual las pruebas disponibles de suexistencia son indirectas.De acuerdo con otro modele. quegoza de apoyo directo e indirecto,el tamafio de cada tipo de protefnasinaptica resulta critico a la hora dedecidir hacia d6nde se dirige cuan-do las celulas establecen contacto.Conforme las protefnas de una celulase nnen con sns hornologas en lacelula opuesta, las dos membranas

celulares se acercaran y el espacioque quede entre elias corresponderaal tarnafio de las proteinas unidas.Asf, un complejo central de proteinaspequefias acercana las membranas10 suficiente como para excluir aprotefnas de mayor tamafio; de estaforma, ina segregando distintos tiposde proteinas hacia diferentes regionesde la sinapsis.El grupo que dirige Arup K.Chakraborty, de la Universidad deCalifornia en Berkeley, utilize unmodelo matematico para comprobaresta idea. Estimaron los efectos de lainteracci6n de protemas de tamafiodistinto a traves de las mernbranasde dos celulas en oposicion. AunqueChakraborty no es inmunologo sinomaternatico, se sintio fascinado cuan-do nn cornpafiero le rnostro las ima-genes de Dustin: allf aparecfan unoscuriosos patrones espaciales, forma-dos quiza por sus propias celulas in-munitarias siempre que enfermaba degripe. De los resultados del estudiose desprende que la diferencia detamaiio entre las protefnas resnltariasuficiente para hacer qne protefnasde tamafio inferior y supenor seagruparan en distintas regiones deIa sinapsis inrnunitaria.

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En 2002, Kupfer, hoy en la fa-cultad de medicina de la UniversidadJohns Hopkins, observe que la se-fializacion entre celulas T y celulaspresentadoras de antfgenos antes deque comenzaran a tornar forma loscomplejos suprarnoleculares de acti-vacion promovfa la adhesion entre lasdos celulas: sin embargo, se requerfaun CSMA para que la interaccionentre las celulas desencadenara larespuesta de las celulas T.Los grupos encabezados por Shawy Allen, con Dustin, han demostradoque la seiializacion eficiente entrecelulas T y CSMA comienza antes deque los receptores de las celulas Tse hayan agrupado en su instalacionfinal en el centro de Ia sinapsis. Dehecho, parte de la cornunicacion tienelugar antes de que se forme la estruc-tura madura, 10 que irnplica que elpatron de la sinapsis madura podriaindicar el final de la conversacion.Estos y otros experios han veni-do tambien explorando que funcionpodria desempefiar la arquitectura si-naptica en la regulacion del volnrnende los dialog os entre las celulas Ty las CPA. Mediante la reducciondel mimero de receptores de la su-perficie de la membrana durante lasefializacion, las celulas T evitanuna sobreestimulacicn letal provo-cada par un exceso de anrigeno. Losexperimentos han demostrado que las

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celulas T reducen el mimero de re-ceptores presentes en la sinapsis paraamortiguar la sefializacion; cuando sedispone de solo una pequefia cantidadde antfgeno, las celulas T puedenagrupar mas estrechamente sus re-ceptores en el interior de la sin apsispara arnplificar la serial.El grupo que dirige el autor haestudiado fenornenos similares en lascelulas asesinas naturales, un tipode celulas inmunitarias que buscany destruyen celulas dafiadas ya poruna mutacion cancerigena 0 por lainf'eccion de un patogeno. Las celu-las enfermas pierden la expresion dealgunas protefnas en su superficie;las celulas AN identifican esta per-dida como una sefial de enfermedad.Han observado que la cautidad deestas protefnas presente en la celu-Ia diana influye sobre el patron desinapsis inmunitaria que forma lacelula AN. Distintos patrones mues-tran correlacion con Ia decision ul-tima de la celula asesina de mataro no a la celula diana; par tanto,los patrones pueden transrnitir, 0 almenos refiejar, una informacion quela celula AN utiliza para determinarla gravedad de la enfermedad de lacelula diana.Amen de arrojar luz sobre las fun-ciones de la sinapsis inmunitaria, losnuevos hallazgos han puesto sobre eltapete ciertos fenomenos preocupan-

tes: se ha descubierto que el VIH yotros virus aprovechan la coreograffamolecular que articula la comuni-cacion entre celulas inmunitarias.El equipo que dirige Charles R. M.Bangham, del Colegio Imperial deLondres, demostro que en los puntosde contacto entre celulas, por dondeatraviesan las partlculas vfricas, lasprotefnas se agregan creando unaestructura que recuerda a la sinap-sis inmunitaria. Desde entonces, sehan observado fenornenos similaresde "sinapsis vfricas". Parece que losvirus, que se caracterizan por secues-trar Ia maquinaria celular yordenarlaala replicacion de su propio genoma,se apropian tambien de los mecanis-mos celulares de comunicacion parapasar de una celula a otra,S e m e j a n z a s sinapt icasEl descubrirniento de la sinapsis in-munitaria ha desencadenado un aludde investigaciones que basculan so-bre las imagenes de interaccionesentre celulas inmunitarias. Aunquelos resultados de estos trabajos ca-recen todavfa de una interpretacionsatisfactoria, brotan sin cesar nuevashipotesis y se acomeien investigacio-nes para cornprobarlas. La mismaidea de la sinapsis esta ya remo-delando la concepcion del sistemainmunitario, un refinado entramadode intercambio de informacion mas

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parecido al sistema nervioso de 10que se pensaba.La aplicacion de la terrninologia si-naptica a las interacciones entre celu-las inrnunitarias ha animado tambiena inmunologos y expertos en neu-rociencias a cornparar datos. Estandescubriendo un numero notable deprotefnas comunes a los dos tipos desinapsis. Sea por caso, la agrina; estaprorefna, que interviene en la agrupa-cion de otras proteinas en la sinapsisestablecidas entre neuronas y celulasrnusculares, se acumula tambien enlas sinapsis inmunitarias. La agrinaintensifica, al menos, ciertos tiposde respuesta inmunitaria. De formaanaloga, el receptor neuropilina-l ,que participa en la sefializacion entreneuronas, se ha hallado adernas enlas sinapsis inmunitarias, Los experi-mentos sugieren que la neuropilina-layuda a las celulas inmunitarias en subiisqueda de enfermedades mediantela constitucion de sinapsis inmunita-rias con otras celulas, Sin embargo,se desconoce todavfa la funcion delreceptor en Ia inmunidad.El equipo que dirige el autor iden-tifico otra semejanza entre neuronas ycelulas inrnunitarias. Observaron que,con frecuencia, la membrana celularforma largos tubos entre las celulasinmunitarias y otros tipos celulares.La investigacion que condujo a estedescubrimiento cornenzo a rafz de lapublicacion de un articulo sobre laobservacion de un fenomeno similaren neuron as. Seguimos sin conocerla funcion de tales autopistas nano-tubulares, [0 que constituye un nuevoreto para la inmunologfa y para lasneurociencias.Los nanotubos de membrana po-drfan constituir, por ejemplo, unmecanismo de cornunicacion entrecelulas inmunitarias desconocidohasta ahora, basado en la secreciondirigida de citoquinas entre celulasdistantes. Simon C. Watkins y Rus-sel! D. Slater, de la facultad de medi-cina de la Universidad de Pittsburgh,han descubierto que una poblacionde celulas inrnunitarias utilizarfa ta-les autopistas nanotubulares para latransmision de sefiales mediadas porcaleio a traves de distancias enormes(en terminos celulares), de cientos demicras, en segundos.La investigacion ulterior sobre lainteraccion entre grupos mas nume-rosos de celulas inmunitarias habra

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de esclarecer OITOS aspectos de lasredes de comunicacion inmunitaria,Otro desaffo en la misma lfnea nos10 presenta la obtencion de image-nes de interacciones in fieri entrecelulas inrnunitarias en el interiorde organismos vivos, no sobre unsoporte solido.En sus mernorias, John Sulston,premio Nobel, describio el uso deun microscopio de ultima generacionen los afios setenta para investigar eldesarrollo de un gusano: "Para rillsorpresa, observaba la division cc-Iular. Aquellas imagenes del gusanoobtenidas por la tecnica de Nomarskieran las mas bellas que uno podiairnaginar ... En un fin de sernana de-sentrafie la mayor parte del desarrollo

postembrionario del cordon nerviosoventral, simplemente mirando".La microscopia de alta resolucionde las interacciones entre celulasinmunitarias es campo muy joven,que no dejara de depararnos nuevassorpresas. Todas las protemas de lasuperficie celular que intervienen enel reconocimiento de enferrnedadespor parte de las celulas del sistemainmunitario se han identificado ynombrado. Pero Ia observacion deestas moleculas mientras desempe-nan su cometido en el espacio y eltiempo reales ha desvelado el me-canismo de la sinapsis inmunitariay ha vuelto a confirmar la validezdel metodo cientffico fundado en la"rnera observacion",

E I a u to rDaniel M . Davis enseiia inmunologia molecular en el Colegio Imperia l de Londres.Se ha especia lizado en el estudio , mediante m icroscopla de a lta resoluci6n , de lasintera ccion es e ntre celulas inmunita rias. E n 19 99 , durante s u fn rrn ac io n p ns dn cto ra len la Universidad de Harvard, obtuvo las p rim ara s im ag sn es de sinap sis inm unitaria sen celulas a se sin as n atu ra le s.

T HR EE D IM EN SIO NA L S EG RE GA TIO N O F S UP RA MO LE CU LA R A CT IVA TIO N C LU ST ER S IN T C Ells. C . R .Monks , B. A . F reiberg , H. Kupfer, N . S ciaky y A . Kupfer en Nature , vol. 395, pags ,82-86; 3 de sept iembra de 199 8.

N EU R AL A N D IM M UN O LO G IC AL S YN AP TIC R E LA TIO N S. M ich ae l L . Dustin y David R . Co lman enScience , vol. 29 8, paqs, 7 85 -7 89 ; 25 de octubre de 2002.W HAT Is THE IM PORTANCE OF THE IMMUNOLOG IC AL SYNAPSE? Daniel M . Davis y M ichae l L .

Dustin en Trends ill Immu/lology , vol. 25 , n. ? 6, paqs. 323-327 ; junio de 2004 .THE LANGUAGE OF L IFE : How CE llS COMMUN ICATE IN HEALTH AND D ISEASE . Debra N iehoff.

Joseph Henry P ress, W ash ington, D .C ., 2005 .

B i b lio g ra f f a c o m p le m e n ta ria

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A l m a c e n a m i e n t os e g u r o d e l u r a n iaa l t a m e n t e e n r iq u e c id aN u m e r o s o s r e a c t o re s d e i n ve s t i g ac i6 n c iv i l e s c o n t ie n en u r a r u o a lt a m e n t e e n r iq u ec id oc o n e l q u e l o s t e r r o r i s t a s p o d r i a n c o n s t r u i r b o m b a s n u c le a r e s

A le xa nd er G la ser y F rank N . von Hippe ]la bomba at6mica que abras6.. . 1a ciudad japonesa de Hiro-shima al final de la II GuerraMundial contenfa unos 60 ki-lograrnos de uranio suscepti-ble de experimentar una reacci6n encadena. El ingenio norteamericano,"Little Boy", detono sobre aqnellaciudad portnaria cuando una parte desu carga ~una mas a snbcritica-s- fuelanzada contra la otra parte ~unamas a tambien subcrftica-s- medianteun sencillo mecanismo de escopeta;entre ambas sumaron nna rnasa crf-tica de nranio 235, que estallo conla violencia de 15 kilotoneladas deTNT. El arrna que pocos dfas despuesdestruia Nagasaki empleaba, por car-ga explosiva, plutonio y no uranio.Su activacion requerfa una tecnicarnucho mas cornpleja.En los sesenta afios transcnrridosdesde entonces, pese a que unoscuantos pafses fabricaron mas de100.000 armas nncleares y aIgunasituacion limite se ha dado, no havuelto a repetirse tamafia destruccion.Hoy, sin embargo, ha surgido otraamenaza terrible: que una organiza-cion terrorista, como al-Qaeda, puedahacerse con uranio aItamente enri-quecido (UAE), construya un toscornecanismo de detonacion pOI disparo

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y ernplee el anna nuclear resultantecontra una ciudad, EI UAE es uraniocuyo contenido de isotope 235, capazde rnantener una reaccion en cadena,se ha concentrado hasta a1canzar un20 por ciento, 0 mas, en peso.La tecnica necesaria para construiruna bomba atomica de tipo escopetaes tan elemental, que los ffsicos quedisefiaron "Little Boy" no probaronel mecanismo de disparo antes deernplearlo; estaban segnros de que sila "escopeta" se disparaba, la bombaestallaria. Un grupo terrorista bienfinanciado podrfa, pues, construir unmecanismo de tipo escopeta que fun-cionase; no tienen dudas los expertosal respecto. Mas arin: como algu-nos han sefialado, resu1ta verosfrnilque unos snicidas penetraran en nndeposito de UAE, construyesen un"ingenio nnclear irnprovisado" y 10detonasen antes de que reaccionarae1 personal de seguridad.Annque la produccion de UAEsolo esta al alcance de los estados,un grupo sf podrfa Ilegar a obtener-10 pOI robo 0 en el mercado negro.Hay unas 1800 toneladas de materialcreado durante 1a guerra fria, princi-palrnente por EE.UU. y 1aUnion 50-vietica, Hoy puede hallarse UAE enlugares civiles y rnilitares. Nos cen-

EL RESP LANOOR GERULEO DE LARAD IAG IO N de G erenkuv en el bane deagua que refrigera un reactor nuclear deinvestiqacien revela que el sistema estaa pro vis io na do d e c om bu stib le y e n fu nc io -nam iento. E n rnuchos cases, las m edidasde seguridad que los centres aplican paraproteger el com bustib le de uranio altam en-t e en ri qu e ci dn s u n laxas. 10 que facilita e lro bo d el m ate ria l.

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traremos, no obstante, en el existenteen las instalaciones civiles, donde seemplea como combustible en reacto-res nucleares de investigaci6n. Nospreocupa especialmente el UAE ci-vil porque esta menos protegido quelos polvorines miIitares. (El uraniocombustible para generar electricidaden las centrales nucleares suele estars610 levernente enriquecido, de un 3a un 5 por ciento en peso.)Hay mas de 50 toneladas de UAEde uso civil dispersas por el planeta;alimentan unos 140 reactores parainvestigaciones cientificas 0 indus-triales, 0 para producir los is6toposque se emplean en medicina. Esoslugares suelen hallarse en zonas ur-banas; su protecci6n por sistemasde alarma y vigilantes es minima.Especialrnente inquietante resulta laflora rusa de reactores alimentadospor UAE, que constituye del ordende un tercio del total rnundial y a laque esta asociada mas de la mitad detodo el UAE civil existente.Es esencial mejorar la seguridad(vease el recuadro "Contra el robode material nuclear"). Pero, a la Iar-ga, nada nos protegera mejor de laamenaza que plantea el terrorismonuclear que suprimir todo uso posibledel UAE y eliminar las existenciasacurnuladas, El UAE recuperado sediluiria con uranio 238, el is6topode uranio mas corriente, incapaz dernantener una reaccion en cadena,para producir uranio poco enrique-cido CUPE, con menos del 20 porciento de uranio 235), que no sirvepara el armamento.Que en el mundo haya UAE entantos lugares se debe a la pugnaarrnamentfstica entre EE. UU. y la

C R O Q U I S P A R A U N A B O M B A

Propusante

Si unos terroristas consiguieran 60 kilogramos de uranio altamenle enriquecido,podrian construir un explosivo nuclear similar al de la bomba atornlca "LittleBoy" que arras6 la ciudad iaponesa de Hiroshima en las postrimerias de laII Guerra Mundial (abajo). Para ello, darfan forma de "bala" a una masa subcri-tica de urania y la colocarian delante de una masa de propulsante, en unode los extremos de un cilindro cerrado. EI resto del uranio (tarnbien una masasubcrftica) se depositaria en el otro extremo del canon de la "escopeta". AIdetonarse el propulsante, la bala saldrfa proyectada, canon adelante, contra lasegunda masa de uranio. La cornbinacion de ambas masas resultaria supercriticay provocaria una reaccion en cadena violenta: una explosion nuclear.

Blancode urania

Uni6n Sovietica durante el perfodode "Atomos para la Paz" de los alioscincuenta y sesenta. A la vez quelas dos superpotencias de Ia guerrafrfa consrruian para sf centenares dereactores de investigacion, proporcio-naban esas instalaciones a tercerospafses, unos cincuenta, para ganarsesu favor polftico y afianzar sus res-pectivas tecnicas de reactores nuclea-res en el exterior. Posteriorrnente,correspondiendo a las dernandas deun combustible nuclear mas dura-dew, se relajaron las restricciones alas exportaciones. Ello comport6 lainstalacion de mas reactores de in-vestigacion alimentados con el UAEapto para el armarnento, producido

u a r d a d e l u r a n io 2 3 5 Unos terroristas que se hicieran 'can menos de 100 lkiilogramos de ura-nlo altarnente emiquecido (UAE) podrlan construir y detonar, con rellativafaellidad, una bornba at6r:nica muy eticaz. por rudirnentaria que fuera. EI]UAE atrae tarnbien a los estados que se proponen desarrollar armasaromlcas en secreto, sin necesidad de ernsayarlas.

Desgraciadamente, en e'l rnundo hay gralndes cantidades de lJIAE alma-csnadas en centres de investigaciorn nuclear, especialrnente en Rusia,rnuchas veces bajo minimos de sequridad.., EEJJU. Y sus afiados han establecido program as para reforzar lasrnedidas de sequridad, convertir los reactores para que usen uranio debajo enriqueclmlento (que no sirve para armas) y retlrar el i!JAE de losreactores de, tnvestlqaclon del rnundo entero. lPe~opersisten lagunaspeliqrosas ..

.' La atencion al maximo nivel de los gobiemos, junto con un moderadogasto adicional, podrtan acercarnos a la soluci6n definit iva del problema.

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por am bas potencia en grandes can-tidades para sus ojivas nucleares. Setrata de un material muy concentra-do, can un 90 par ciento de uranio235 aproximadamente. A finales de2005, habia en paises que no poseenarmas nucleares unas 10 toneladasde UAE idoneo para la fabricaci6nde armamento; ese uranio, exportadopor las potencias, es suficiente paraconstruir de IS O a 200 ingenios ex-plosivos nucleares con disparador detipo escopeta.A daptacinn de react oresEn los alios setenta, el gobiemo es-tadounidense empezo a tomar medi-das para impedir que el combustiblepara reactores de investigaci6n quehabia exportado durante los veintearies anteriores se desviara a la pro-ducci6n de armas. En concreto, elDepartamento de Energfa lanz6 en1978 el programa de EnriquecirnientoReducido para Reactores de Inves-tigaci6n y Ensayos (ERRIE); a tra-ves del rnismo, persegufa adaptar losreactores de disefio arnericano paraque funcionasen con combustible deuranio poco enriquecido. A finales de2005, se habfan reconvertido 41 uni-dades. Esas instalaciones reconverti-das habian venido recibiendo at afio,entre todas, unos 250 kilogramos denuevo UAE apto para arrnas proce-dente de EE.UU.

INVESTIGACIONCIENCIA,bril,2006


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Se ha acornetido ya 0 esta pre-vista la sustitucion del combustiblede UAE de OtIOS 42 reactores, Pordes gracia, no sera posible adaptaral combustible de uranio poco enri-quecido uuos 10 reactores de inves-tigacion de gran potencia hasta quepuedan desarrollarse nuevos combus-tibles de UPE de las caracteristicasnecesarias. Esos reactores de granpotencia, que actualmente q uemanunos 400 kilogramos de UAE al afio,suelen tener micleos compactos paramaximizar el fiujo de neutrones enexperimentos de dispersion neutroni-ca 0 eu ensayos de materiales querequieren altas tasas de irradiacion.Los actuales combustibles basadosen uranio poco enriquecido no secomportan bien dentro de los micleosde reactor compactos originalmentedisefiados para UAB.Para minimizar las repercusionesde la conversion en los reactores de

gran potencia, los investigadores delprograma ERRIE han de hacer com-bustible de uranio poco enriq uecidode la misma geometrfa y duracionque el UAE que debe rernplazar. Latare a, empero, es todo un desaffotecuico, Como, en el UPE, a cadaaiomo de uranio 235 10 acornpafiaucuatro de uranio 234, los disefiado-res de los e1emeutos de combustibledebeu aumeutar en unas cinco vecesla cantidad de uranio contenida enlos elementos pensados para el ura-nio poco enriquecido, sin aumentarsus medidas, Tras afios de trabajo,el pequeiio programa para desarro-llar combustible de UPE parece es-tar cerca de perfeccionar las tecnicasde fabricaciou de una prometedoranueva generacion de combustibles dealta densidad,L a re cu pe ra cin n d el c om b us tib leap to pa ra arm asEn los afios noventa, EE.UU. empezoa cooperar con Rusia en la protecciony elirninacion de las existencias deUAE. Movieron a arnbas nacioneslos robos de combustible de UAEnuevo, aun no utilizado, en Rusiay otros patses de la antigua UnionSovietica. De los robos s610 se in-formaba despues de que el materialse recuperase. Puera de Rusia, na-die sabe su cuantla; quiza tampocodentro,Para limitar en Rusia la cantidad de

UAE civil que podria trasladarse sin

IN VE S TIG A C IO N Y C IE N CIA , a bril, 2 00 6

l Q U e n e c e s i t a n lo s te rro ris ta s n uc le are s?Para tabr icar armas nucleares, los t err or ls ta s te n dn an p rir ne ro que abas tece r sede urania artarnente enriqu:ecido, robandolo 0 comprando l o , EI uranio naturalse compone pr inc iaa lmenta del l sotopo 238,.incapaz de mantener una reacc ionnuclear en cadena mediante l a a b so rc lo n y ern is ion de neu t r ones , y de una muybaja concentrac lon (aproximadamente 0,7 por ciento) de uranio 235, l so topo quesf reacciona en cadena. Ambos i so to p e s d if ie re n en peso en un 1 pOTc len to ,ap rox i r nadamen te , Ese hecho se aprovecha para separar los y concentra r , 0 en-riquecer, el urania 235. Pe rc esa operac lon no pueden efectuarla los terroristas,ya que todas lias te c nic as c on oc ld a s r ss ult an muy diffci les, largas y cos tosas .En una masa de UAE que val:ga ~usto el valor milico, una media de uno delos dos .0 tres neu t r ones liberados pe r la f lslon de un ru ic lso de uran io 235

provoca la lisi6n de otro nucleo, La mayoria de los otros neutrones se escapapor la super f ic ie , y no hay explosion. Para que una bomba con d lsparador detipo sscope ta funcione, sus constructo res necesitan dos masas cr l t icas de uran ioa tt am e n te e n riq u e cid o , de modo que cada fiston cause, p e r t er rn in o media, masde una f lslcn nueva, generando a s ! una reacclon exptos iva en cadena de cree l -mienlo sxponencia l , como la que l iberola energia de la bomba de Hiroshimaen una mi l lones l rna de segundo.Para una bomba de l rnplosion comola de Nag a sa ki , basta COO l menos deuna masa crft ioa, En ese caso, la

r nasa de plutonio se hizo supercrfticacompr l rn lendo la con carqasexp los ivase xt ern a s e sp ec ia lm e n ts c o nfo rm a d as ,La imp los ion redujo losespacios entrelos que los neu t r ones podian escapa rde la rn as a s in h ab er c au sa do fis io ne s.EI uranio apto pam armas contieneun 95 por ciento, 0 mas, de uranio.235, pero los expertos han advertidoa la Organizacion Intemacional deEnergia A to rn ic a q us todo el uran loa t tamen te enriquecido -todo uran io,CO'nmas del 20 por ciento de uranio235~ debe ser considerado "mete-rial de u s o d lr ec to ", 0 sea, apto paraarmas n uc le are s. P e r debajo del 20por c ien to , la masa cnt lca se haeedemasiado grande para que encajeen un e sp ac io ra ze na ble . P o r ejemplo,para producir una rnasa cntica conuranio enriquecido al 93 por ciento, rodeado de un reflector de neutrones deberilio de cinco cennmetros de grueso, se requieren 22 kiloqramos, mientras quess necesitan unos 400 kilogramos con uranio enriquecido al 20 por ciento,

autorizacion, EE.UU. establecio en1999 el Programa de Consolidaciony Conversion de Materia1es, con elobjeto de adq uirir y diluir unas 17 to -neladas de UAE ruso civil excedente.A finales de 2005 se habfan diluidounas siete toneladas a niveles del 20pOI ciento de uranio 235.Otro esfuerzo se centra en el com-bustible de UAE "agotado". Aunqueen el momento en que se extrae elcombustible usado ya se ha con-sumido del orden de la mitad deluranio 235 eu la reacci6n de fisionen cadena dentro de los micleos delos reactores, el uranio restante sigue

siendo uranio 235 en un ochenta porciento, el mismo porcentaje que enIa bomba de Hiroshima.Durante algunos afios despues de

ser extrafdo de un reactor, el com-bustible agotado se "autoprotege"de los robos: es tan radiactivo quematarfa en cosa de horas a quientratara de manejarlo. Los operariosnucleares rnanipulan esos materialespor control remoto y se protegen confuertes blindajes. Pero la intensidaddel peligro de irradiacion arninoracou el tiernpo. Tras uuos 25 aiios,una persona desprotegida que tra-bajase a un metro de un e1emento

C E N T E N A R E S D E M IL IE S D E D I S C O S defikil m an ejo , com o el qu e se m ue straen esta to to . cada uno corn una paquaf iacant idad d e u ra nin a pto para ar rnas ,puaden encnn tr a rse en una lnstalacionnuclear rusa, Para un a bornD'aatornicah a rla n f a' it a muchos d iscos , pero sup eq ue ho ta m afio fa eifita Ilasus t racc i nn .

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de combustible de reactor que peseunos cinco kilogramos tardarfa unasc in c o hora s e ft re c ib ir una dosis deirradiaci6n Ietal para la mitad delos individuos expuestos. Segun losexpertos de la Organizaci6n lnterna-cional de Energfa At6mica (OLEA), aesos nive1es ya no puede considerarseque el combustible se autoprotege.C a d a v e z mas u r g e n t ePara enfrentarse al peligro que re-presenta un combustible agotado deUAE cada vez menos autoprotegidoy disperso por el mundo, el gobiernode EE.UU. invit6 en 1996 a los pai-ses que habian recibido combustiblenorteamericano de uranio altamenteenriquecido a que devolvieran dostipos comunes de combustible agota-do. Seis afios despues, EE.UU. Rusiay la OlEA se unieron en el ernpefiode devolver a Rusia combustible tan-to fresco como agotado. Pero hastaahora no han progresado rnucho. Yase ha repatriado combustible agota-do que original mente contenia delorden de una tonelada de UAE es-tadounidense; quedan min unas dieztoneladas fuera de sus fronteras,A Rusia se ha devuelto alrededorde un decimo de tonelada de com-bustible fresco de UAE; parece queen otros paises quedan almacenadasunas dos toneladas de UAE en com-bustible fresco y agotado de origenruso. El combustible agotado dereactores de investigacion devueltoa EE.UU. se esta almacenando ahoraen instalaciones del Departamento deEnergia (DOE), habilitadas en CaTO-lina del Sur e Idaho. Rusia extraedel combustible agotado el UAE y10 diluye para obtener combustiblefresco de bajo enriquecimiento paracentrales nucleares.A raiz del 11 de septiembre de2001, algunas organizaciones no gu-bernamentales y miembros del Con-greso estadounidense han intensifica-do su presi6n sobre el Departamentode Energia para que se esfuerce masen salvaguardar las existencias deUAE civil en to do el mundo.Theodore F. Taylor, ex disefiadorde armas del Laboratorio Nacionalde Los Alamos, habfa advertido yaen los afios setenta del peligro de unterrorismo nuclear, pero la tragediadel 11-S hizo mucho mas crefble suconminacion, Creci6 la demand a deuna limpieza mundial a fondo del

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UAE no militar, Como respuesta, elDOE estableci6 una lniciativa paraIa Reduccion Mundial de Amenazasque debra ampliar y acelerar algu-nos de los programas descritos antes.Ahora se pretende repatriar todo elcombustible no irradiado y agotadode

investigación y ciencia 355, abril 2006

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