Física Nuclear Experimental nucl-ex

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.

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.

Un diapasón tallado en un metal perfecto vibra en una única frecuencia. Su sonido es puro, como una fórmula matemática. Pero si lo sujetas con un tornillo de banco o lo sumerges en un líquido viscoso, el tono se vuelve borroso, se llena de ruidos y pierde nitidez. Algo parecido le ocurre al núcleo de escandio-45 cuando se coloca en una red cristalina.

Momento dipolar medido del tantalio-181: 3,39 × 10⁻³² e·cm — como notar un desplazamiento de un átomo a la escala del Sistema Solar. Un núcleo atómico normal está perfectamente equilibrado, como un trompo giratorio.

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.

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.

El muón es un diminuto trompo que gira en el turbulento mar del vacío. Su eje magnético apunta ligeramente desviado de lo que predice el Modelo Estándar. La desviación es de apenas unas millonésimas, pero para los físicos es todo un enigma. El vacío no es una calma muerta.

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.

Nuestro Sol emite flujos de neutrinos, partículas que casi no interactúan con la materia. Al atravesar la densa materia solar, cambian de tipo — los científicos llaman a esto «sabor». Es como una voz que cambia al atravesar una multitud: cuanto más denso el entorno, mayor es la distorsión.

En un enorme espectrómetro en Karlsruhe, parecido a un gigantesco barril metálico, se capturan partículas que casi no se dejan atrapar. Los neutrinos son los fantasmas del micromundo: cada segundo, billones de estas partículas atraviesan tu cuerpo sin que lo notes. Pero tienen masa, y los científicos quieren medirla.

Cuando un neutrón choca contra un núcleo, puede arrancarle un fragmento: una partícula alfa, es decir, un núcleo de helio. Estas colisiones ocurren constantemente en los reactores nucleares, pero medirlas con precisión es difícil: el neutrón no deja rastro en un detector común, y solo se puede detectar por sus consecuencias.

Al igual que en una habitación atestada cada persona extra aumenta bruscamente la presión en las paredes, en una estrella de neutrones el incremento de densidad provoca un aumento de la resistencia interna. Pero incluso esta resistencia tiene un techo absoluto.

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.

El agua pesada —esa en la que, en lugar del hidrógeno común, está su pariente más voluminoso, el deuterio— se sometió a una corriente eléctrica. En el cátodo se depositaba paladio, y en este modesto baño electroquímico los detectores notaron una y otra vez algo inesperado: rastros de neutrones lentos. Los detectores eran de dos clases.

El agua se congela a cero y hierve a cien grados. La materia hecha de quarks y gluones también tiene fronteras entre sus estados, solo que en lugar de un termómetro aquí la temperatura se mide en millones de electronvoltios. Una de esas fronteras es la línea donde la sopa de quarks deja de ser sopa y se convierte en protones y neutrones ordinarios.

Dentro de un espectrómetro de siete metros, que parece una columna alta, nacen los fragmentos del neutrón desintegrado. Para atraparlos se necesitan láminas de silicio del tamaño de una mesa de comedor y del grosor de un dedo.

El agua en una tetera se calienta hasta los cien grados y deja de ser agua para convertirse en vapor. Algo parecido ocurre con los núcleos atómicos cuando se hacen chocar a velocidades enormes en el Gran Colisionador de Hadrones.

En lo profundo de un laboratorio subterráneo, un detector del tamaño de una habitación espera un evento que podría ocurrir una vez cada cien mil millones de años. Es la doble desintegración beta sin neutrinos, un proceso que violaría una de las leyes más importantes de la física.

El núcleo atómico no es simplemente una bolsa de protones y neutrones. Es un sistema cuántico donde las partículas están unidas por hilos invisibles de entrelazamiento. Cuando dos protones o neutrones interactúan, sus estados se entrelazan de tal manera que es imposible describir uno sin el otro.

Cada átomo tiene su propia «voz»: la frecuencia de la luz que emite. En los isótopos —átomos con diferente número de neutrones— las voces varían ligeramente. Es como en un coro: si conoces la partitura con exactitud, la más mínima desafinación revela una influencia externa.

En el núcleo de un átomo viven protones y neutrones. Pero a veces entra un invitado: una partícula llamada lambda. Se parece al neutrón, solo que más pesada y con una propiedad especial que los físicos llaman extrañeza. A un núcleo con tal invitado se le llama hipernúcleo. En Mainz, en el acelerador MAMI, se creó el hipernúcleo más ligero: un tritón con una lambda en su interior.

Dentro del refrigerador que enfría la materia casi hasta el cero absoluto late un corazón mecánico: el tubo de pulsación. Bombea gas y extrae calor, pero junto con el frío trae temblor. Cada latido de ese corazón sacude los instrumentos colocados junto a la muestra y arruina las mediciones delicadas.

Un trozo de germanio del tamaño de una palma puede detectar el paso de una sola partícula de materia oscura. Pero para ello, el cristal debe ser casi perfecto: sin ruido eléctrico, con un campo interno uniforme y contactos que no produzcan chispas a alto voltaje. En el nuevo trabajo se construyó el detector KL01.

El muón es como un electrón, pero 200 veces más pesado. Cuando se detiene en un trozo de silicio, es atraído hacia el núcleo atómico como un imán atrae un clavo. El núcleo recibe energía extra y empieza a "hervir": de él salen distintas partículas: protones, deuterones, tritones y partículas alfa.

Encender un miniatura sol es un viejo sueño de la humanidad. Generalmente, los científicos intentan confinar plasma incandescente (gas de partículas cargadas) a temperaturas de cientos de millones de grados.

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.

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.

En un tanque de agua pura, las partículas que viajan más rápido que la luz en ese medio dejan destellos azulados, como un avión que rompe la barrera del sonido genera un trueno. Con esos destellos se puede saber qué visitante ha pasado: un cuanto gamma o un neutrón. La tarea no es trivial: en fronteras y almacenes hay que distinguir rápidamente una carga radiactiva inofensiva de un material apto para armas.

Dentro del núcleo atómico las partículas no están amontonadas al azar. A veces dos protones y dos neutrones se agrupan en una cuarteta compacta: ese mini-colectivo se llama cúmulo alfa. Es como una familia que, en un edificio lleno de gente, se mantiene unida. Arrancar esa cuarteta del núcleo y ver cómo vivía allí es tarea de un protón rápido.

Un trozo de plástico denso del tamaño de una moneda destella cuando una partícula invisible lo atraviesa. Así funcionan los centelleadores: materiales que convierten la radiación en luz débil. Por lo general, se fabrican con cristales frágiles o polímeros caros.

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.

En un acelerador de partículas, los electrones recorren un círculo a casi la velocidad de la luz. Cuando uno de estos electrones choca con un fotón —una partícula de luz—, el fotón rebota como una pelota contra un camión en movimiento y sale con mucha más energía.

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.

Captar un susurro en medio de una estación de tren ruidosa: esa es, más o menos, la tarea de los físicos que buscan el momento dipolar eléctrico del neutrón. Se trata de un diminuto desplazamiento de la carga dentro de la partícula.

Un termómetro enfriado casi hasta el cero absoluto detecta el calor de una sola partícula. Así funcionan los calorímetros criogénicos, instrumentos que capturan eventos extremadamente raros, como la doble desintegración beta sin neutrinos.

En los aceleradores a veces se producen partículas que no encajan en el esquema habitual de dos o tres quarks. Dos de estas partículas, Zb(10610) y Zb(10650), llevan más de diez años quitando el sueño a los físicos. Se parecen a análogos pesados de los piones, pero con una clara señal de una composición de cuatro quarks. La cuestión es cómo están empaquetados esos cuatro quarks.

En el acelerador de partículas de Pekín, un antihiperón lambda —una rara partícula de antimateria— choca contra un protón ordinario. En lugar de simplemente desaparecer, se convierten en todo un ramillete de otras partículas: un kaón con carga positiva, dos piones y, a veces, piones neutros adicionales. Antes no se habían observado estas transformaciones para la antilambda.

El núcleo de un átomo de xenón-133 vive solo unos días y luego se desintegra. Hacer con él una fina película como blanco y bombardearla con partículas no funcionará: la película desaparecería antes de que estuviera lista. Por eso los físicos hicieron lo contrario: aceleraron núcleos de xenón-132 y los dirigieron hacia un blanco de deuterio (hidrógeno pesado).

El crecimiento de un cristal de germanio ultrapuro se parece a hornear un soufflé caprichoso: el más mínimo sobrecalentamiento o una pizca extra de impureza, y todo el lingote solo sirve para refundirlo. Estos cristales son el corazón de los detectores que captan eventos rarísimos: desde materia oscura hasta doble desintegración beta.