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Exotic Nuclei: Per ardua ad astra. Atomic nuclei, the tiny objects at the hearts of atoms, make up 99.8 % of the matter in our Universe. It is the collisions between nuclei which fuel the stars and lead to the creation of chemical elements. If we are to understand our Universe and the World we live in we must understand this dominant form of matter. To do this we must study reactions between them. Until now we have only been able to use stable nuclei for this purpose. Soon we will be able to use a wide range of unstable, radioactive nuclei. Some of the exciting prospects this opens up are discussed here. Los núcleos de los átomos son entidades pequeñas, de solamente 10-14 m de diámetro y con un peso de 10-26 kg, pero son el corazón de los átomos y moléculas que forman parte de ti, de mí y de todo lo que conocemos en el universo. Constituyen el 99,8% de toda la materia en nuestro mundo diario y es la energía liberada, cuando se fusionan dos de ellos, la que alimenta las estrellas y las hace brillar. Los elementos químicos que constituyen nuestro cuerpo y todo lo que nos envuelve están producidos por medio de reacciones nucleares que tienen lugar en el corazón de las estrellas, exceptuando el caso del hidrógeno y del helio, que fueron producidos durante el Big Bang que tuvo lugar cuando se creó el universo. Así pues, parece que tanto los primeros pasos de nuestra creación como el calor procedente del sol que nos calienta, nos va nutriendo y hace posible la vida en la Tierra son el resultado de las reacciones nucleares. Por todo ello, es importante que se conozca cómo son los núcleos y cómo se comportan. Los átomos y sus combinaciones llamadas moléculas que constituyen nuestro mundo material tienen un pequeño pero masivo núcleo en su corazón. Los núcleos están constituidos por protones y neutrones (denominados todos ellos nucleones por ser constituyentes del núcleo), y los átomos se mantienen ligados por la atracción entre los protones del núcleo, cargados eléctricamente con carga positiva y un número igual de electrones cargados negativamente en órbita a su alrededor. ¿Cómo podemos estudiar estos objetos diminutos que están ligados de forma tan extraordinariamente fuerte? La respuesta es equivalente a disparar una “bala nuclear” contra el núcleo para deshacerlo en pedazos. Para ello, se requiere una “pistola” (un acelerador de partículas) que puede tener alrededor de 100 m de largo. El proyectil es, por supuesto, otro núcleo que aceleramos hasta que llega a tener una gran velocidad. Una vez hemos hecho blanco en el núcleo que hace de diana, hemos de analizar todos los trozos –partículas, rayos gamma, rayos X, etc.– que resultan de la colisión. Mediremos las masas, las velocidades, etc., y trataremos de solucionar el rompecabezas y, así, saber cómo son los núcleos y cómo se comportan. Llevamos haciendo eso 70 años más o menos, desde que creamos el primer acelerador y ahora tenemos máquinas que funcionan por todo el mundo y que nos permiten acelerar todo tipo de núcleos que existen en la Tierra hasta velocidades muy por encima de las necesarias para la física nuclear. ¿Qué hemos aprendido utilizando estas máquinas y cómo hemos aplicado el conocimiento adquirido? Hemos aprendido que los núcleos cambian si los calentamos o si los hacemos girar como si se tratara de una peonza a gran velocidad o si cambiamos el número de neutrones (N) o de protones (Z) que contienen. Una manifestación muy sencilla de este último punto se muestra en la figura 1, donde los núcleos estables que podemos encontrar en la Tierra son representados como cuadrados negros y se muestra el número de protones y neutrones que contienen. Estos están en medio de un mar de núcleos inestables radiactivos. Vemos que sólo un número limitado de combinaciones de protones y neutrones producen núcleos estables. Evidentemente sólo podemos utilizar este pequeño grupo de núcleos estables como las “balas nucleares” de las que hablábamos hace un momento. Lo que hemos aprendido a lo largo de estos años nos ha permitido responder a estas preguntas ¿por qué brillan las estrellas? ¿Qué calienta el interior de la Tierra? ¿Cómo y dónde se forman los elementos que la constituyen? ¿Qué edad tiene? Respondiendo a estas preguntas en nuestra investigación hemos ido más allá de lo que imaginaban los alquimistas de la edad media, que soñaban con crear oro y plata a partir de metales menos valiosos. Con reactores nucleares hemos creado átomos de cualquier material basándonos en otros, pero, por supuesto, en cantidades muy pequeñas y muchas veces tratándose de núcleos radiactivos. Aunque no sea exactamente lo que los alquimistas pensaban, sin duda es un gran avance para la humanidad. La actividad de investigación, motivada fundamentalmente por el deseo de entender mejor los fundamentos y la naturaleza de la materia, ha producido de forma inesperada, como suele ocurrir con todo progreso científico, numerosas y variadas aplicaciones. Hemos creado instrumentos que se utilizan en otros campos científicos, hemos expandido el progreso de la ciencia hacia otros horizontes, como la física de las partículas, y hemos transformado nuestra vida diaria de muchas maneras. Entre sus “retoños” se encuentran las fuentes intensas de neutrones basadas en reactores nucleares o reacciones de espalación y la luz intensa y brillante, y los rayos X de las instalaciones de radiación de sincrotón que nos permiten estudiar tanto los materiales de uso común como la materia viva. También podemos utilizar los aceleradores para implantar átomos en materiales, manipularlos y modificar sus propiedades, como es el caso del silicio y su papel fundamental en el desarrollo de la revolución de la informática y las comunicaciones. Es también posible utilizar los aceleradores en la datación del carbono para determinar la antigüedad de lo que, en un cierto periodo de la historia, fue materia viva. La lista es interminable. La medicina se ha beneficiado de los avances de la física nuclear tanto en la diagnosis de enfermedades como en algunos tipos de terapias. En promedio, una sexta parte de los ciudadanos europeos necesitará terapia con radiación en algún momento de su vida. Las reacciones nucleares alimentan los reactores nucleares que producen el 30% de la potencia eléctrica en Europa. Como no emiten gases contaminantes, no contribuyen al efecto invernadero. Hoy en día, el uso de los reactores nucleares se ve frenado por la dificultad de procesar los residuos radiactivos. Si este problema se pudiera resolver de manera satisfactoria, para la sociedad sería urgente construir más reactores nucleares y así evitar la polución atmosférica. Por cierto, es muy posible que sea de nuevo la física nuclear la que solucione este problema, utilizando reacciones nucleares para transformar los residuos radiactivos de vida media y larga en residuos radiactivos de vida corta, y por tanto, que se puedan almacenar de manera más segura para la población (ya existen proyectos para construir aceleradores que puedan cumplir esa función).
Figura 1. Esta figura muestra los núcleos estables y de vida media muy larga, representados por los cuadrados de color negro, en función del número de protones (Z) y de neutrones (N). Un gran número (~6-7.000) de otras especies puede existir dentro de las líneas marcadas como Bp=0 y Bn=0, pero son especies radiactivas y se desintegran, cuando son creadas, formando un núcleo estable. Las líneas horizontales y verticales indican los valores de Z y N que están asociados con una estabilidad extra (véase el texto).© S. Hofman Volviendo a la figura 1, vemos que los 283 núcleos estables son una pequeña proporción de los aproximadamente 7.000 núcleos representados en la figura. Los otros núcleos son radiactivos o inestables. Eso quiere decir que, si son creados, se desintegran directa o indirectamente en núcleos estables. Como vivimos en un planeta frío, no hay bastante energía para que se creen de manera natural estos llamados “núcleos exóticos”. Hemos de recurrir de nuevo a nuestros aceleradores y crearlos artificialmente. En otras partes del universo, dentro de las ollas a presión que son las estrellas, forman parte de un proceso continuo de creación y desintegración. En las espectaculares explosiones de estrellas llamadas supernovas, nuestros telescopios nos aseguran que se forman especies más exóticas aún que aparecen unos segundos y después se desintegran dejando en el espacio residuos de elementos pesados que estarán presentes después en la condensación del gas y del polvo que da paso a la formación de nuevas estrellas. Si existe algún tipo de escepticismo con respecto a la veracidad de estas ideas, hay algunas evidencias directas que demuestran que este tipo de cosas pasan en el espacio, como podemos ver en la figura 2. Para entender qué es lo que nosotros vemos con nuestros telescopios hemos de estudiar los núcleos exóticos, pero ésta no es la única razón para hacerlo. Hay muchas cuestiones en física nuclear que requieren también este esfuerzo. Por ejemplo ¿cómo cambia el comportamiento del núcleo a medida que cambiamos el balance entre neutrones y protones? ¿Cómo están distribuidos los protones y neutrones en el interior de un núcleo exótico? ¿Qué tamaño y qué forma tienen? ¿Cuáles son los límites de la existencia del núcleo? ¿Cómo podemos responder todas estas cuestiones? La impresionante lista de logros que hemos contado hasta ahora proviene del uso de las 283 especies estables de la figura 1, pero la investigación continúa. En los últimos años se ha puesto de manifiesto que podemos crear y acelerar núcleos exóticos; en la figura 1 se ve que tenemos cerca de 7.000 candidatos para ser acelerados. Dada esta cantidad enorme de núcleos susceptibles de ser utilizados como proyectiles en reacciones nucleares, no es necesaria mucha imaginación para entrever que eso puede transformar la física nuclear y abrir expectativas de ensueño en otras áreas de la ciencia. La cuestión que habría excitado a los alquimistas y que todavía fascina a los químicos es: ¿cuántos elementos podemos crear? En otras palabras: ¿cuál es el último elemento que podemos crear? Durante mucho tiempo se pensaba que no se podían crear elementos más allá del uranio (Z=92), el último elemento que tiene una vida media comparable con la edad de la Tierra. La razón era muy clara; cada protón tiene una carga eléctrica positiva que repele a los otros. A medida que añadimos protones al núcleo, esta fuerza destructiva crece rápidamente e incluso, si creamos otro núcleo con más protones, lo que esperamos es la fisión de éste en dos núcleos con menos protones de forma espontánea. Pero nuestra simple idea ignora una cosa que hemos aprendido en nuestro estudio de los núcleos; que hay ciertos valores del número de protones Z y del número de neutrones N, llamados “números mágicos”, que añaden estabilidad al núcleo. Si este efecto (figura 3) es suficientemente importante, puede retardar la fisión y, a pesar del núcleo, se desintegrará por emisión alfa y vivirá un periodo de tiempo relativamente largo. Si eso funciona, debería haber elementos “superpesados” con ZŽ114 que serían casi estables y tendrían propiedades químicas poco usuales. En la parte superior de la figura 3 vemos el tipo de reacción utilizada en el GSI para la producción de los elementos hasta Z=112. Se hacen chocar dos núcleos muy pesados de la forma más “suave” posible. En un número extraordinariamente pequeño de casos, como ha sucedido en esta colisión, se produce la fusión de estos núcleos, con la emisión de un neutrón; como residuo queda el elemento superpesado. Entonces se desintegra por emisión alfa, y teniendo en cuenta que este tipo de desintegración es muy característica de la especie nuclear, sirve como instrumento para su identificación. Esta era la situación hace 18 meses. En ese momento, un grupo de investigadores en el laboratorio de Berkeley, en California, anunció la síntesis de algunos átomos del elemento Z=118, y en Dubna (Rusia) recientemente se anunciaba la síntesis de diversas especies de elementos entre Z=112 y Z=116. Ninguno de estos descubrimientos ha sido confirmado, pero evidentemente añade “leña al fuego” de nuestra cuestión. Todas estas evidencias sugieren que es correcta nuestra hipótesis de que existen elementos superpesados con vida larga, pero utilizando núcleos estables como proyectiles y como blancos, a pesar de que lleguemos al valor correcto de Z, todavía estaremos lejos del valor deseado de N. Entonces, ¿cómo podemos alcanzar estos núcleos superpesados? La respuesta está en la utilización como proyectiles de haces de núcleos exóticos con muchos neutrones extra. Si somos capaces de crear un haz intenso de 94 Kr, que tiene 8 neutrones más de lo normal, posiblemente alcanzaremos uno de estos núcleos superpesados situado en el centro de lo que se ha llamado “isla de núcleos superpesados” en nuestras reacciones.
Figura 3. La figura muestra el cálculo de la energía total (masa) de los núcleos pesados en función de Z y N. Las regiones que tienen forma de depresión o valle (de color más oscuro en la figura) corresponden a núcleos particularmente estables. Otra cuestión muy parecida a la anterior es: ¿cuántos neutrones podemos añadir a un número fijo de protones sin que el núcleo “proteste” y los deje escapar inmediatamente? La naturaleza parece decir: ¡no hay límite! Con nuestros telescopios vemos objetos que son descritos como una inmensa bola de neutrones, un núcleo gigante formado solamente por neutrones. Pero estos objetos están ligados a la fuerza de la gravedad y su existencia no responde a nuestra cuestión. En los núcleos ligados que hay en la Tierra, pensamos que hay un límite, pero no tenemos ni idea de dónde está, ni cuál es el núcleo más ligero con el máximo número posible de neutrones. En el caso de Z=50 (el elemento estaño) las estimaciones varían hasta 30 neutrones. La única forma de averiguarlo es tratar de crearlos y ver dónde está el límite. Por debajo de él esperamos encontrar núcleos muy ricos en neutrones, con estructuras poco habituales como cortezas o halos de neutrones alejados de un corazón denso de protones y neutrones. Si producimos haces de núcleos exóticos de buena calidad, seremos capaces a dar respuesta a muchas de estas cuestiones y aplicarlas a la medicina clínica, a los estudios de los materiales y a la conservación de medio ambiente, así como a la física nuclear y a la astrofísica. Toda nuestra experiencia pasada sugiere, no obstante, que como consecuencia de la disponibilidad de los haces radiactivos aparecerán nuevas y más radicales ideas. Por todo el mundo, científicos e ingenieros trabajan intensamente para diseñar y construir aceleradores que nos permitan hacer todo esto. Estamos al inicio de un nuevo resurgimiento de la física nuclear. Si somos capaces de entender los núcleos exóticos como hemos entendido los 283 núcleos que hemos encontrado en la Tierra habremos dado un gran paso para la comprensión de nuestro mundo. ¡Quién sabe cuántas sorpresas nos llevaremos con los núcleos exóticos! W. Gelletly. School of Physics and Chemistry, University of Surrey, U.K. |
«Los elementos químicos que constituyen nuestro cuerpo y todo lo que nos envuelve se produjeron en el corazón de las estrellas»
Figura 2. Aquí vemos una imagen de los rayos X emitidos por los residuos en expansión resultantes de una vieja supernova (la gran explosión que marca el final de una estrella gigante), situada en la constelación de Casiopea. Cuando apuntamos en esa dirección un detector de rayos gamma montado en un satélite puesto en órbita en el espacio, vemos la señal que se muestra en la figura. Esta señal tiene exactamente la energía de un intenso rayo gamma emitido en la desintegración radiactiva del 44Ti, un elemento relativamente pesado, en la fase final de la vida de la mencionada estrella.
«La cuestión que habría excitado a los alquimistas y que todavía fascina a los químicos es: ¿Cuántos elementos
«Si somos capaces de entender los núcleos exóticos como hemos entendido los 283 núcleos que hemos encontrado en la Tierra habremos dado un gran paso para la comprensión
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