deuterio

Dentro del acero de un futuro reactor de fusión se forman diminutas burbujas de helio, y en sus paredes se desarrolla un drama químico. Los átomos de cromo y tántalo, como centinelas, ocupan lugares en el borde de la cavidad y cambian las reglas del juego para el hidrógeno.

En el interior de los subneptunos, los planetas más abundantes de la galaxia pero en los que no se puede pisar, el magma de silicato y el hidrógeno se mezclan en un único cóctel supercrítico. Antes se pensaba que bajo la densa atmósfera de hidrógeno había un límite nítido con el silicato fundido, como aceite sobre agua.

Las baterías atómicas que funcionan con la desintegración del plutonio llevan más de sesenta años alimentando marcapasos y sondas espaciales. Pero hay poco material para ellas: en todo el mundo solo se producen unos pocos kilogramos de plutonio-238 al año, y apenas alcanza para las misiones más importantes.

En física nuclear, un enigma llevaba tiempo sin resolverse: ¿por qué entre los elementos más ligeros que el bismuto solo el tecnecio (n.º 43) y el prometio (n.º 61) no tienen ni un solo isótopo estable? Todos sus vecinos en la tabla periódica pueden presumir de al menos una variante de larga vida, pero estos dos parecen escapar a la regla general.

A los tres minutos del Big Bang, el universo tocaba su primera sinfonía. Era la Big Bang nucleosíntesis — la formación de núcleos ligeros, donde cada elemento sonaba con su nota, y el ritmo lo marcaba la expansión del espacio.

El agua en un vaso parece continua, pero está formada por moléculas. De manera similar, durante mucho tiempo los físicos describieron la materia dentro de una estrella de neutrones como una sopa homogénea de protones y neutrones. Pero las estrellas de neutrones reales no son sopa. Son una multitud apretada de partículas donde cada neutrón siente a sus vecinos.

El agua puede ser de muchas clases. No solo dulce o salada, sino también «pesada», si en su molécula, en lugar del hidrógeno común, se encuentra el deuterio, su hermano más masivo. A esa agua se la llama HDO, y es un auténtico pasaporte cósmico: según la cantidad de deuterio en el agua, se puede saber dónde y cuándo nació esa agua.

En una habitación silenciosa se puede oír hasta el susurro más débil. Así, en el átomo de hidrógeno, el más ligero de todos, es más fácil notar a un invitado no deseado. Ese invitado podría ser el bosón Z', una partícula mediadora de una nueva fuerza que predicen muchas teorías de unificación. El modelo estándar ya tiene su propio mediador: el bosón Z.

En el centro de cada átomo hay un núcleo: una densa esfera de protones y neutrones. Estas partículas no se amontonan al azar, sino que llenan niveles de energía estrictos, como pisos en un rascacielos. Cuando un piso está completamente ocupado, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos lo llaman número mágico. El más pesado de estos números en núcleos estables es 126 neutrones.

El agua no es simplemente una sustancia mojada. A escala de picosegundos, se asemeja a una pista de baile donde las moléculas rompen y crean enlaces continuamente. Normalmente, este baile se describe con un movimiento principal: la relajación colectiva, como si toda la multitud se desacelerara al mismo tiempo después de apagar la música.

En física nuclear reinó durante mucho tiempo la convicción de que dos neutrones no pueden formar un estado ligado: se atraen demasiado débilmente y se dispersan de inmediato. Sin embargo, en la superficie de los núcleos ricos en neutrones, donde la densidad de la materia cae a milésimas de la nuclear normal, la situación cambia radicalmente.

La colisión de dos estrellas de neutrones es un laboratorio cósmico donde la materia se comprime hasta densidades inimaginables. En los primeros instantes tras la fusión, se forma una nube ardiente que se enfría emitiendo neutrinos. Estas partículas invisibles se llevan la energía y dictan cuánta materia será expulsada al espacio y qué elementos pesados se sintetizan.

En las profundidades del océano, donde no llega la luz, nace un plan para capturar partículas que casi no interactúan con nada. Los geoneutrinos, pequeños mensajeros del manto ardiente, surgen de la desintegración del uranio y del torio. Su flujo transporta información sobre cuánto calor se esconde bajo nuestros pies.

Un planeta del tamaño de Neptuno, pero al rojo vivo. Bajo las nubes, un océano de magma capaz de absorber una atmósfera entera de hidrógeno. El nuevo modelo SEAMIST ha rastreado por primera vez cómo esa disolución cambia el destino del planeta desde su nacimiento hasta su vejez. La gran sorpresa es el mecanismo de ebullición catastrófica.

Núcleos atómicos envueltos en esponjosos abrigos de electrones: con semejante ropa, no hay abrazo que valga. Pero cambia el abrigo ligero por uno pesado: el muón, una partícula del modelo estándar, comprime la nube casi 200 veces.

Una valla invisible bloquea el estrecho. No se puede saltar por encima ni bucear por debajo: no está hecha de acero, sino de un flujo de partículas que atraviesan la columna de agua. Así podría describirse la idea de detectar submarinos nucleares por su emisión de antineutrinos.

En un cristal de agua e hidróxido de cesio, los átomos de oxígeno y cesio permanecen en sus lugares, como cuentas en una red rígida. Los átomos de hidrógeno se comportan de manera diferente: son como pasajeros que cambian constantemente de asiento.

Una pelota rueda hacia una colina, pero no tiene suficiente impulso y vuelve a caer. Así lo dicta la mecánica clásica. Pero en el mundo cuántico, una partícula diminuta a veces atraviesa la colina como si no existiera. Ese truco —el efecto túnel— es algo habitual para el ligero átomo de hidrógeno.

La fusión nuclear, la unión de un protón con un núcleo de boro-11, promete una fuente de energía casi ideal: sin flujo de neutrones peligrosos, solo un flujo de partículas cargadas que se puede convertir directamente en corriente eléctrica.

El nitrógeno, ese mismo gas que respiramos, bajo una presión de un millón de atmósferas se comporta como un metal caprichoso. En una cámara de yunques de diamante se comprime hasta 78–98 gigapascales y se calienta con láser hasta 1800–2500 kelvin.

La luz, girada en una dirección, incide sobre un protón. La partícula puede absorber el fotón o rechazarlo, y esto depende de cómo esté orientado su propio espín, ese pequeño trompo interno.

En el Gran Colisionador de Hadrones no solo chocan núcleos, sino también protones individuales. Incluso en sistemas tan pequeños se observa un comportamiento colectivo, similar al flujo de un líquido.

Si el núcleo de un átomo es una familia, en la casa del helio común viven dos protones y dos neutrones, bien agarrados de la mano. Ahora imagina que uno de los miembros de la familia es un excéntrico al que le encanta pasear lejos de casa.

Los neutrinos son partículas diminutas que atraviesan el planeta como la luz atraviesa el cristal de una ventana. Cada segundo, miles de millones de estas partículas pasan a través de la uña de tu meñique, pero atrapar aunque sea una no es tarea fácil. Para ello, en Canadá se excavó una mina de dos kilómetros de profundidad y se instaló allí el detector SNO+.

Muy por debajo de nuestros pies, en el espesor del planeta, tiene lugar una lenta desintegración de elementos radiactivos. En ese proceso nacen partículas diminutas: los geoneutrinos. Atraviesan la corteza terrestre, el manto y el núcleo casi sin interactuar con nada.

En los primeros minutos del Big Bang, el Universo preparó un cóctel de hidrógeno, helio y una pizca de litio.

Un reactor nuclear convencional se parece a una caldera donde el combustible arde de manera uniforme en todo el volumen. Aquí el panorama es otro: por una barra cilíndrica de carburo de uranio avanza lentamente una onda de fisión: una zona estrecha donde los átomos se dividen y liberan calor.

El cometa 3I/ATLAS fue detectado cuando entró en el Sistema Solar desde el espacio interestelar.

El hidrógeno es el campeón en energía por kilogramo, pero almacenarlo es un dolor de cabeza. En forma de gas ocupa un volumen enorme, y si se comprime o se enfría hasta licuarlo, se necesitan tanques pesados y mucha energía. Hay un tercer camino: algunos materiales sólidos absorben hidrógeno como una esponja absorbe agua y lo retienen en su interior.

El núcleo atómico normalmente sigue sus propias leyes: su desintegración no depende de la temperatura, la presión ni los vecinos en la molécula. Pero el isótopo uranio-235m tiene una excepción sorprendente.

Cada vez que el deuterio y el tritio se fusionan en un reactor de fusión, sale un neutrón rápido. Puede transformar unas sustancias en otras, por ejemplo, crear isótopos valiosos para la medicina. Hoy en día, esos neutrones cuestan una fortuna, porque hay pocas instalaciones experimentales y funcionan con poca frecuencia.

En el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar protones con núcleos de plomo. En el momento del impacto nacen cientos de partículas nuevas, y algunas salen en haces estrechos: los chorros.

Dentro del futuro reactor de fusión flotará un imán que pesa como un automóvil pequeño. Sostiene el plasma ardiente como una mano invisible sostiene una nube. Antes se consideraba que un imán así no servía para combustible de deuterio y tritio: los flujos de neutrones lo destruían rápidamente.

Muchos átomos pueden actuar como una orquesta coordinada: si cada uno emite luz al unísono con los demás, el destello resulta muchas veces más brillante. Esto es la superradiancia, un fenómeno bien estudiado en laboratorios, pero casi no se había buscado en el espacio.

El planeta HIP 67522 b es muy joven: tiene solo 17 millones de años; para comparar, la Tierra tiene 4,5 mil millones. Es un exoplaneta tipo Júpiter caliente: un gigante gaseoso que orbita muy cerca de su estrella, por lo que su atmósfera está caliente e hinchada.

Cada año, solo en Estados Unidos, los médicos realizan más de 16 millones de exploraciones con el isótopo radiactivo tecnecio-99m. Ilumina en las imágenes el corazón, los huesos, los pulmones, ayuda a encontrar un tumor o a comprobar el flujo sanguíneo.

En química hay dos mundos: en uno, el catalizador es una partícula sólida sobre cuya superficie ocurre la reacción; en el otro, es una molécula disuelta donde todo sucede alrededor de un único centro metálico. Estos mundos rara vez se encuentran. Pero en un nuevo trabajo, han convergido.

En los primeros minutos después del Big Bang, el Universo se parecía a una cocina ardiente. Sobre ella, según la «receta» del modelo estándar, debían cocinarse hidrógeno, helio y un poco de litio. Pero los telescopios ven tres veces menos litio del que dicta esa receta.

Urano y Neptuno desconcertaron a los científicos durante mucho tiempo: sus campos magnéticos están muy inclinados y enredados, muy diferentes a los de la Tierra. La clave estaba en una forma inusual de agua: el hielo superiónico que llena sus profundidades.

Para fusionar dos núcleos atómicos, hay que superar su feroz repulsión eléctrica, como juntar dos toros enfurecidos. En condiciones normales, solo ayuda una energía monstruosa, como en los núcleos estelares, donde Hans Bethe ya explicó la fusión en los años 30.