física nuclear

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.

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.

El núcleo de uranio-235 que ha capturado un neutrón lento no se desintegra de inmediato en fragmentos. Primero, parece quedarse atrapado en dos 'pozos': estados con formas diferentes. El primero, el fundamental, es una gota ligeramente alargada. El segundo, el isomérico, es una gota más estirada, pero aún sin romperse.

Un reloj de arena en el que los granos se transformaran en otros mientras caen: así son los núcleos atómicos inestables. Viven un instante y se desintegran, expulsando un electrón (esto es la desintegración beta).

Cuanto más delgada es la película ferroeléctrica, más fuerte es el campo despolarizante: el dictado de la física clásica. Imagine un lápiz que se balancea sobre la punta del dedo: cuanto más corto, más difícil es mantenerlo vertical. Así es como la polarización nanométrica tiende a desaparecer.

En la orquesta de los átomos, cada instrumento tiene su propia partitura. Pero a veces dos músicos empiezan a tocar al unísono, y el sonido se amplifica muchas veces. En el mundo cuántico, esta 'armonía' se llama resonancia de Feshbach. Permite controlar las interacciones atómicas con una precisión de joyero.

El modelo estándar es el conjunto de reglas para todas las partículas conocidas. Pero guarda silencio sobre la materia oscura, que constituye una cuarta parte del universo. Para encontrarla, no hace falta construir colisionadores del tamaño de una ciudad.

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.

Si intentas partir un protón y sacar un quark, te llevas una sorpresa. Las fuerzas ordinarias, como la eléctrica, se debilitan cuando las partículas se separan. Aquí es al revés: cuanto más lejos está el quark de sus vecinos, más fuerte es el tirón que lo devuelve.

Dos núcleos de estaño chocan a una velocidad de aproximadamente dos tercios de la velocidad de la luz. Por un instante se forma una nube densa y caliente de la que salen protones en todas direcciones. Si se capturan pares de protones y se mide con qué frecuencia salen en la misma dirección, se puede calcular el tamaño de esa nube.

Los relojes no son solo agujas. Todo núcleo atómico es un metrónomo natural: oscila con una regularidad casi perfecta. Si se eleva un metrónomo de estos un par de metros, su ritmo se acelera ligeramente: esto es la curvatura del tiempo, predicha por Einstein.

Una colisión a gran velocidad arrancó un neutrón del núcleo de helio-8, y por un instante se formó un núcleo de helio-7, como una estantería sobrecargada de la que caen tres libros a la vez. Este efímero «sonido» de la desintegración se ha podido registrar por primera vez: tres neutrones salieron disparados, dejando tras de sí un núcleo ordinario de helio-4.

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.

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.

El núcleo atómico no es una bolita estática, sino un colectivo burbujeante de protones y neutrones. Giran, chocan y se organizan en patrones que los físicos ven como "bandas": escaleras de niveles de energía. En los núcleos de niobio y tecnecio se han encontrado cuatro de estas escaleras, pero la última se resistía obstinadamente a encajar en los cálculos.

El núcleo de un átomo suele tener una forma definida: alargada como un melón o achatada como una calabaza. Pero el silicio-30 se comporta de otra manera: parece no poder decidir cómo ser.

Diez microsegundos después del Big Bang, el universo parecía una olla de caldo hirviendo. En ella flotaban quarks y gluones, las partículas de las que luego se formarían protones y neutrones. El caldo se enfriaba y, en cierto momento, los quarks se agruparon en grumos: esos mismos protones y neutrones que componen toda la materia visible.

Una campana no suena con una sola nota: tras el golpe, resuenan varias armónicas a la vez. Algo parecido ocurre con el núcleo atómico: después de una colisión, puede vibrar, y esas vibraciones se detectan en los rayos gamma emitidos. Pero en el núcleo de niobio-104, con 41 protones y 63 neutrones, las armónicas resultaron ser más de las esperadas.

Una estrella de neutrones es el remanente superdenso de la explosión de una supernova, cuya existencia fue predicha por Fritz Zwicky en la década de 1930.

Un núcleo atómico inestable se parece a una gota de agua en una sartén ardiente: existe solo un instante y su forma cambia constantemente. Los físicos han aprendido a describir esas gotas: núcleos que viven menos de una milmillonésima de segundo y se desintegran apenas nacen.

En el núcleo de un átomo, los neutrones no están sujetos con la misma fuerza. Si los arrancas uno a uno, como hojas de una col, la energía de arranque es diferente cada vez. Para isótopos con 149 partículas en el núcleo (lantano, cerio, praseodimio), esta energía se ha vuelto a medir recientemente —y una cifra no coincidió con la anterior.

El núcleo de calcio-48 es como una habitación cerrada con 48 nucleones. Dentro ocurren reordenamientos: un neutrón se convierte en protón, y la habitación se transforma lentamente en otra: titanio-48. El proceso tarda un tiempo inimaginablemente largo: en promedio, un trillón de trillones de años, pero ocurre.

Cuando un neutrón extra entra en el núcleo de un átomo, este se comporta como una taza desbordante: un poco más y el contenido se derrama. Físicos del centro francés GANIL organizaron esa "transferencia" de un neutrón desde un deuterón (el núcleo del hidrógeno pesado) hasta el núcleo del oxígeno-19. Como resultado, se formaba un núcleo de oxígeno-20, con un neutrón de más.

Un protón choca contra el núcleo del deuterio, un diminuto conjunto formado por un protón y un neutrón. Antes, estas colisiones se describían con ecuaciones donde el tiempo fluye igual para todos, como en la vida cotidiana. Pero cuando las partículas se aceleran hasta velocidades cercanas a la de la luz, el tiempo se ralentiza para ellas y las longitudes se contraen.

Muy por encima de la Tierra vuela un satélite, y dentro de él hay un instrumento del tamaño de un armario pequeño. Atrapa partículas que han viajado durante miles de millones de años a través de la galaxia y finalmente chocan contra el detector. Estas partículas se llaman rayos cósmicos y traen noticias de lejanas explosiones estelares.