núcleo de plomo

En un tanque con tres toneladas de xenón líquido, escondido en las profundidades de la tierra, algo se movió una vez. No fue el propio xenón, sino uno de sus núcleos atómicos: recibió un empujón con una energía de 248 mil electronvoltios y retrocedió como una bola de billar golpeada por una bola invisible.

Para conocer el tamaño de la nube de protones en el núcleo atómico, los físicos hacen colisionar un núcleo inestable con un blanco y observan cuántos protones pierde. Cuanto más grande es el núcleo proyectil, más frecuentemente choca con los núcleos del blanco y pierde partículas.

Una batería solar de perovskita es como una atleta joven: al principio rinde excelente, pero con la edad se cansa. En ocho horas, sus características caen notablemente, y no hay causas visibles como grietas o polvo. Los científicos tomaron una batería y registraron lecturas a los 0, 90, 280 y 480 minutos de vida.

El núcleo atómico no es un saco de canicas, sino una estructura ordenada donde los protones y neutrones llenan capas, como los electrones en el átomo. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable, y al número de partículas se le llama mágico. Para el calcio, con 20 protones, los números mágicos clásicos de neutrones son 20 y 28.

El núcleo atómico no siempre es redondo, como una bola de billar. Algunos núcleos se alargan con forma de balón de rugby, mientras que otros se vuelven parecidos a una pera, con un extremo más grueso que el otro.

Unas balanzas ultraprecisas intentan captar la diferencia entre dos granos de arena casi idénticos. Uno de ellos es el reflejo perfecto del otro, como en un espejo. En el mundo de las partículas elementales, ese reflejo especular se denomina paridad P, y su violación es uno de los mayores enigmas de la física.

Atrapar una molécula individual en un rayo de luz y casi detener su movimiento es una tarea similar a intentar sostener una pelusa en una corriente de viento. Una partícula demasiado caliente se escapa de la trampa, por lo que los físicos primero la calman con enfriamiento láser.

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.

En las profundidades de una estrella de neutrones, la materia está tan comprimida que los protones y neutrones habituales dejan paso a nuevos actores. Allí nacen los hiperones, partículas que contienen un quark extraño.

El núcleo atómico no es solo una bolita de protones y neutrones. Tiene forma, y esa forma puede cambiar. Durante mucho tiempo se consideró que el núcleo de estaño-116 era casi una esfera perfecta: tiene 50 protones, un número «mágico» que normalmente otorga simetría esférica al núcleo. Pero una nueva medición de ultra precisión mostró otra cosa.

El núcleo atómico no es solo una mezcla de protones y neutrones. Las partículas en su interior se organizan en capas, como los espectadores en un estadio: las filas inferiores están llenas, y cada protón o neutrón nuevo busca un lugar en un nivel más alto.

Dos péndulos en un mismo hilo intercambian movimiento: si empujas uno, el segundo comienza a oscilar, y un instante después el primero recibe un empujón de vuelta. En el átomo de torio-229, la energía fluye casi sin pérdidas entre la capa electrónica y el núcleo.

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.

El núcleo atómico rara vez es una esfera perfecta. Más a menudo se parece a un balón ligeramente abollado: la carga eléctrica en su interior se distribuye de manera desigual, y los protones pueden desplazarse un poco, creando una diminuta protuberancia «en forma de pera».

El péndulo más preciso del mundo no es una barra de acero, sino un diminuto núcleo atómico. El isótopo torio-229 tiene un estado excitado especial: para llevar el núcleo a él se necesita muy poca energía, similar a la de un láser ultravioleta.

Un péndulo que casi nada puede desviar: no le afectan ni las sacudidas, ni el calor, ni los campos magnéticos, porque está escondido en el mismísimo corazón del átomo. Ese es el péndulo que han utilizado los físicos al poner en marcha por primera vez un reloj nuclear. Antes, los mejores relojes, los ópticos, funcionaban con transiciones de electrones.

El telescopio espacial James Webb se asomó a la época en que la expansión del universo estiró la luz de objetos lejanos hacia la región roja, y encontró un puñado de fuentes extrañas: los «pequeños puntos rojos».

Los relojes más precisos de hoy miden el tiempo a partir de las oscilaciones de los electrones en los átomos. Pero su marcha puede alterarse, como un resorte de un reloj mecánico se desajusta con los golpes. Los físicos han encontrado un péndulo más fiable: el núcleo atómico.

Una olla de sopa hirviendo burbujea, y uno quiere saber qué tan calientes están las gotas individuales en su interior. Pero el termómetro solo se puede sumergir en el borde, donde ya no hay tanta efervescencia.

Una pizca de sal cae al agua y los iones de sodio y cloro se separan, rodeados de moléculas de agua. Ahora, en lugar de un ion, en la compañía molecular entra un positrón: la antipartícula, gemela del electrón, pero con un más en lugar de un menos.

El núcleo atómico no es una esfera monolítica, sino un enjambre denso de partículas diminutas, los quarks, pegados con un pegamento especial (la interacción fuerte).

Imagina un edificio de varias plantas donde en cada piso viven protones y neutrones. Los pisos son los niveles de energía, y normalmente entre el sexto piso y el siguiente hay un tramo de escaleras de cierta altura: la llamada brecha. En el núcleo del átomo de oxígeno-20, esta brecha actúa como una barrera difícil de superar para las partículas.

Un rayo láser tan tenue como un susurro de luz ha llevado un núcleo de torio-229 a un estado de mayor energía. La mayoría de los núcleos necesitan una explosión de energía, pero el torio-229 tiene una brecha energética tan pequeña que incluso este suave empujón funciona.

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.

Para conocer el tamaño real del protón, los físicos reemplazaron el electrón en el átomo de hidrógeno por su copia pesada: el muón. El muón, como una lupa con aumento de mil veces, se acerca al núcleo y «palpa» el protón con una precisión antes inalcanzable.

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+.

Cuando dos estrellas de neutrones colisionan, nace una kilonova: una explosión cósmica que brilla no solo por el calor, sino también por la desintegración de elementos pesados recién creados.

Una diminuta partícula fantasma atraviesa un trozo de germanio. Normalmente no deja rastro, pero a veces, como una bola de billar, golpea el núcleo de un átomo. El núcleo rebota y ese empujón se puede detectar. En Oak Ridge, en el laboratorio nacional, el detector Ge-Mini estuvo captando esos rebotes durante dos años. Los neutrinos son las partículas conocidas más escurridizas.

Una diminuta esfera de vidrio flota en un haz láser, como una mota de polvo en la luz del sol. Dentro de ella hay plomo radiactivo que, de vez en cuando, se desintegra. Cada desintegración expulsa partículas cargadas, y la esfera pierde o gana una carga eléctrica minúscula.

Cuando dos núcleos de plomo chocan a gran velocidad, por un instante nace una nube de materia incandescente: más densa y caliente que el centro del Sol. A través de esa nube vuelan chorros de partículas: haces estrechos, como rayos láser, arrancados por el impacto.

El láser golpea un átomo de estroncio y de él salen dos electrones a la vez. Antes se pensaba que en esta doble ionización cada electrón actuaba por su cuenta: uno es expulsado primero, el segundo después, al azar.

El núcleo de un átomo no siempre es redondo. Puede estirarse como un melón o achatarse como una calabaza. Y de esa forma depende su tamaño, igual que del tamaño de la masa depende el tamaño del pastel. Los científicos calcularon la forma y el tamaño de los núcleos de los isótopos de berkelio, un elemento pesado que se obtiene en reactores.

Un puñado de plastilina con una bolita pegada lejos, a un lado, se vuelve suelto y alargado. Así está organizado aproximadamente el núcleo del berilio-11: un neutrón estrella de neutrones se balancea en la periferia, formando un "halo" alrededor del núcleo denso.

En el núcleo atómico, los protones y los neutrones se acomodan en capas, como el público en una sala abarrotada. Cuando una capa se llena, el núcleo se vuelve especialmente estable: los físicos llaman a estas "filas completas" números mágicos.

Cuando en la superficie de una estrella de neutrones —el remanente superdenso de una estrella muerta— se acumula materia, ocurre una explosión similar a una bomba termonuclear gigante. En ese infierno, en segundos, nacen núcleos de elementos que no existen en la Tierra. Para saber cuáles, es necesario conocer sus masas con enorme precisión.

Una bala que no atraviesa un solo blanco, sino que deja su huella en varias capas de blindaje. Así se comporta aproximadamente la materia oscura superpesada que se ha buscado por primera vez en el detector DarkSide-50.

Los relojes atómicos convencionales se basan en la espectroscopía, el conteo de las oscilaciones de los electrones. Los relojes nucleares de torio-229, en cambio, apuntan al propio núcleo.

En las profundidades de las estrellas, los núcleos ligeros se fusionan, dando lugar a helio y flujos de neutrones. En la Tierra, este proceso se reproduce combinando deuterio y tritio, isótopos especiales de hidrógeno.

Una película delgada de dióxido de torio de solo 10 nanómetros de espesor está depositada sobre un disco de acero. El pulso láser incide en ella, pero en lugar del brillo esperado, el detector capta un flujo de electrones.

En Jefferson Lab, los electrones se aceleran hasta 12 GeV y chocan contra protones para arrancarles sus secretos. Pero los detectores actuales se parecen a cámaras con un campo de visión estrecho: o ves mucho pero borroso, o ves nítido pero solo un pedacito.