El CERN estudia una desintegración extraordinariamente exótica. Es una gran oportunidad para ir más allá del Modelo Estándar

Desintegración. Radiactividad. Antes de sumergirnos en el hallazgo que ha realizado el CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), que es el auténtico protagonista de este artículo, nos interesa afianzar bien estos dos conceptos, así que os propongo que indaguemos un poco en ellos (si ya los conocéis a fondo os sugiero que saltéis a la sección del artículo titulada 'Ha llegado la hora de los kaones'). La radiactividad es el proceso de origen natural que explica cómo un núcleo atómico inestable pierde energía en el intento de alcanzar un estado más estable. Y para lograrlo emite radiación.

Alrededor del núcleo orbitan una o varias partículas elementales aún mucho más diminutas y con carga eléctrica negativa a las que llamamos electrones. El núcleo, a su vez, está conformado por uno o varios protones, que son partículas con carga eléctrica positiva. El átomo más sencillo que podemos encontrar en la naturaleza es el de protio (hidrógeno-1), un isótopo del hidrógeno que tiene un único protón en su núcleo y un único electrón orbitando en torno a él.

El problema es que la materia no está compuesta únicamente de protio, sino también de muchos otros elementos químicos más complejos y pesados, y que, por tanto, tienen más protones en su núcleo y más electrones orbitando en torno a él. ¿Cómo es posible que haya más de un protón en el núcleo si todos ellos tienen carga eléctrica positiva? Lo razonable es pensar que no podrían estar muy juntos porque al tener la misma carga eléctrica elemental se repelerían. Y sí, esta idea es coherente. Los responsables de resolver este dilema son los neutrones, las partículas que conviven con los protones en el núcleo atómico.

La estabilidad lo es todo

A diferencia de los protones, los neutrones tienen carga eléctrica global neutra, por lo que no «sienten» ni la repulsión ni la atracción electromagnética a la que están expuestos los protones y los electrones. La función de los neutrones no es otra que estabilizar el núcleo, permitiendo que puedan convivir en él varios protones que, de otra forma, se repelerían. Y consiguen hacerlo gracias a la acción de una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: la interacción nuclear fuerte.

Las otras tres fuerzas son la interacción electromagnética, la gravedad y la interacción nuclear débil. Los físicos suelen colocar a este mismo nivel el campo de Higgs, que es otra interacción fundamental que explica cómo las partículas adquieren su masa, pero para facilitar su comprensión los textos suelen recoger como fuerzas fundamentales las cuatro que he mencionado un poco más arriba porque son de alguna manera con las que todos estamos familiarizados.

Los nucleones, que son los protones y los neutrones del núcleo atómico, consiguen mantenerse juntos y vencer la repulsión natural a la que se enfrentan los protones debido a que la presencia de los neutrones permite que la fuerza nuclear fuerte ejerza como un pegamento capaz de imponerse a la fuerza electromagnética. La interacción nuclear fuerte tiene un alcance muy reducido, pero a cortas distancias su intensidad es enorme. Lo importante de todo esto es que los neutrones, como os adelanté unas líneas más arriba, actúan estabilizando el núcleo atómico, de manera que a medida que un átomo tiene más protones necesitará también que en su núcleo haya más neutrones para que la fuerza fuerte atractiva consiga imponerse a la fuerza electromagnética repulsiva.

Curiosamente, el equilibrio entre la cantidad de protones y neutrones es muy delicado. Un átomo es estable si su núcleo tiene una cantidad precisa de nucleones y el reparto de estos entre protones y neutrones permite que la interacción nuclear fuerte actúe como "pegamento". Por esta razón en la naturaleza solo podemos encontrar una cantidad finita de elementos químicos: los que recoge la tabla periódica con la que todos estamos en mayor o menor medida familiarizados. Cualquier otra combinación de protones y neutrones no permitiría mantener ese fino equilibrio, dando lugar a un átomo inestable.

Lo que diferencia a un átomo estable de uno inestable es que en el núcleo de estos últimos la interacción nuclear fuerte y la fuerza electromagnética no están en equilibrio, por lo que el átomo necesita modificar su estructura para alcanzar un estado de menor energía que le permita adoptar una configuración más estable. Un átomo estable está «cómodo» con su estructura actual y no necesita hacer nada, pero uno inestable necesita desprenderse de una parte de su energía para alcanzar el estado de menor energía del que acabamos de hablar.

En ese caso ¿cómo consigue el átomo desprenderse de una parte de su energía? La respuesta es sorprendente: recurriendo a un mecanismo cuántico conocido como «efecto túnel» que le permite hacer algo que a priori parece imposible, y que no es otra cosa que superar una barrera de energía. Este efecto cuántico es complejo y muy poco intuitivo, pero, afortunadamente, no es necesario que profundicemos en él para entender con claridad cómo funciona la radiactividad. Lo que sí es importante es que sepamos que un átomo inestable tiene a su disposición cuatro mecanismos diferentes que pueden ayudarle a modificar su estructura para adoptar una configuración estable: la radiación alfa, beta, beta inversa y gamma.

El primero de estos mecanismos, la radiación alfa, permite al átomo deshacerse de una parte de su núcleo emitiendo una partícula alfa, que está constituida por dos protones y dos neutrones. El siguiente mecanismo es la radiación beta, que necesita que un neutrón del núcleo atómico se transforme en un protón, y durante este proceso además emite un electrón y un antineutrino. La radiación beta inversa funciona justo al contrario que la radiación beta: un protón se transforma en un neutrón y este proceso emite un antielectrón y un neutrino, que son las antipartículas del electrón y el antineutrino emitidos por la radiación beta.

Y, por último, la radiación gamma, que es la más energética y la más penetrante de todas, requiere la emisión de un fotón de alta energía, conocido habitualmente como rayo gamma, por lo que el núcleo atómico mantiene su estructura original. Algunos de estos fotones de alta energía son capaces de atravesar muros de hormigón muy gruesos y planchas de plomo, por lo que esta es la forma de radiación más peligrosa de todas.

Como acabamos de ver, la radiactividad permite a los átomos inestables desprenderse de una parte de su energía con el propósito de alcanzar un estado menos energético y más estable, pero ¿qué sucede realmente con esa energía? El principio de conservación de la energía dice que no puede destruirse, así que necesariamente se la llevan las partículas emitidas por el átomo inestable como resultado de cualquiera de las cuatro formas de radiación de las que acabamos de hablar. Esa energía provoca que las partículas emitidas salgan despedidas como diminutas balas que tienen la capacidad de interaccionar con la materia que encuentran a su paso.

Ha llegado la hora de los kaones

Todos los experimentos diseñados por el CERN son interesantes, pero el que llaman NA62, en mi opinión, va un paso más allá. Es apasionante. Y lo es debido a que su propósito es estudiar los procesos de desintegración más extraños con la esperanza de que alguno de ellos permita a los físicos ir más allá de los sólidos muros del Modelo Estándar y elaborar nueva física. Ni más ni menos. Lo curioso es que los kaones interpretan un papel protagonista en el experimento NA62.

Un kaón es una partícula subatómica de la familia de los mesones que está constituida por un quark y un antiquark. Lo que los hace tan especiales es que el quark pertenece a una clase exótica de estas partículas conocida como "extraño" (strange), lo que permite a los kaones diferenciarse claramente de otras partículas, como los protones o los neutrones. En cualquier caso la mayor peculiaridad de los kaones consiste en que tienen una vida extremadamente corta, por lo que poco después de originarse se desintegran y dan lugar a la producción de otras partículas más sencillas en un proceso similar a los que hemos descrito en el apartado anterior de este artículo.

No obstante, esto no es todo. La desintegración de los kaones es muy peculiar. De acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar, que es la teoría de la física de partículas más consistente que existe, menos de uno de cada 10.000 millones de kaones se desintegra dando lugar a la producción de un pion y dos neutrinos. Es evidente que se trata de un suceso extremadamente infrecuente. Tanto, de hecho, que el experimento NA62 del CERN ha sido desarrollado ante todo para detectar y estudiar este tan poco frecuente proceso de desintegración del kaón.

Lo sorprendente es que la tasa de desintegración de un kaón en un pion y dos neutrinos que ha medido el experimento NA62 es de aproximadamente 13 ocurrencias por cada 100.000 millones de kaones, lo que representa un valor casi un 50% más alto de lo predicho por el Modelo Estándar. Para los físicos esta discrepancia entre el valor medido experimentalmente y el predicho por la teoría no representa ningún problema. Todo lo contrario. Es una oportunidad.

Cristina Lazzeroni, profesora de Física de Partículas en la Universidad de Birmingham (Inglaterra), lo explica de maravilla: "Esta desintegración está extremadamente bien predicho por el Modelo Estándar y es sensible a una gran variedad de modelos teóricos que predicen la existencia de nueva física más allá del Modelo Estándar. Por esta razón, si medimos una desviación de este modelo estaremos ante una señal clara de la existencia de nueva física".

Ojalá esta discrepancia se mantenga en el futuro, y, como apunta Lazzeroni, se confirme la presencia de nueva física. De momento el experimento NA62 continúa recopilando más datos, por lo que es probable que los físicos necesiten algunos años más para poder llegar a una conclusión definitiva acerca de la física que se esconde detrás de esta exótica desintegración de los kaones.

Imagen | CERN

Más información | CERN

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