El descubrimiento del bosón de Higgs marcó un punto de inflexión en el ámbito de la física de partículas. El 4 de julio de 2012 los científicos del CERN oficializaron este hallazgo, y desde entonces hemos sido testigos de otros descubrimientos que aunque no han agitado los cimientos de la física experimental con la energía con la que lo hizo la observación de esta partícula, han ayudado a los científicos a entender un poco mejor los mecanismos que rigen los constituyentes últimos de la materia.
Este es el contexto en el que un grupo de investigadores de la Universidad de Texas A&M, en Estados Unidos, ha dado con un tipo de desintegración nuclear que hasta ahora nunca había sido observado. Para llevar a cabo su experimento han utilizado un ciclotrón, que es un tipo de acelerador de partículas, capaz de acelerar un haz de núcleos de oxígeno-13 de modo que adquiera una velocidad cercana al 10% de la luz. Este ha sido su punto de partida, pero para entender en qué ha consistido su experimento nos interesa repasar algunos conceptos importantes.
Radiación y radiactividad
Todos sabemos de una forma intuitiva que la radiación y la radiactividad están relacionadas de alguna manera, pero no son lo mismo. La radiación es un fenómeno presente en la naturaleza que aglutina la emisión, el transporte y la transferencia de energía tanto a través del vacío como de un medio material. Lo interesante es que la energía puede ser transportada de dos maneras diferentes: bajo la forma de ondas electromagnéticas o como partículas.
La radiactividad, sin embargo, 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. 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 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 delicado 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.
Para lograrlo recurre 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. 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.
Curiosamente, la radiación alfa, beta y beta inversa, como hemos visto, acarrea la modificación de la estructura del núcleo atómico, por lo que cuando un átomo inestable recurre a una de estas formas de radiación se transforma en un átomo de un elemento químico diferente que puede ser estable, o bien continuar siendo inestable. Aunque, eso sí, será menos energético. La radiación gamma, sin embargo, no implica ninguna alteración de la estructura del núcleo atómico, aunque sí una reducción de su energía. Esta última forma de radiación suele acompañar a las demás adoptando la forma de ondas electromagnéticas.
Si después de emitir alguna de las formas de radiación de las que acabamos de hablar el átomo inestable se transforma en un átomo de un elemento químico diferente, pero continúa siendo inestable, el proceso no acabará ahí. El átomo seguirá estando "incómodo" y necesitará volver a recurrir a la radiactividad las veces que sean necesarias para continuar desprendiéndose de una parte de su energía con el propósito final de alcanzar una configuración menos energética y completamente estable.
Al tiempo promedio que transcurre hasta el instante en el que un átomo inestable se desintegra recurriendo a cualquiera de las formas de radiación de las que hemos hablado se le llama tiempo de vida media. Y al tiempo que pasa hasta que la cantidad de núcleos inestables de un elemento radiactivo se reduce a la mitad de la cantidad inicial se le llama período de semidesintegración. Algunos átomos inestables se desintegran de forma prácticamente instantánea, pero otros pueden tardar horas, días, semanas, años, o, incluso, milenios, debido esencialmente a la naturaleza aleatoria del mecanismo cuántico que permite al átomo atravesar la barrera de energía necesaria para adoptar un estado menos energético y más estable.
Entender mejor la desintegración puede ayudarnos a entender mejor la materia
Ya tenemos las herramientas que necesitamos para entender con cierta precisión el alcance del experimento que han llevado a cabo los científicos de los que he hablado en las primeras líneas de este artículo. El elemento con el que han trabajado es el oxígeno-13, un isótopo inestable que contiene 13 nucleones (ocho protones y cinco neutrones). Lo que han hecho es muy ingenioso: han acelerado en un ciclotrón un haz de núcleos de este elemento para hacerlo incidir en el interior de la cámara de un detector conocido como TexAT TPC (Texas Active Target Time Projection Chamber) en una nube de dióxido de carbono.
Al analizar el rastro que dejan los núcleos de oxígeno-13 en el gas se dieron cuenta de que una de cada 1.200 desintegraciones responde a un mecanismo que hasta ahora nunca había sido observado. Y es que en estas circunstancias los núcleos de oxígeno-13 recurren a la desintegración con el propósito de reducir su energía y alcanzar una configuración estable. Pero no se trata de ninguno de los mecanismos de los que hemos hablado en este artículo, sino de una nueva forma de desintegración radiactiva en la que un núcleo de oxígeno-13 da lugar a tres núcleos de helio-4 ionizados (se trata de partículas alfa), un protón y un positrón (esta última es la antipartícula del electrón).
Este hallazgo es importante por dos razones fundamentales. La primera es que puede ayudar a los físicos a entender mejor los procesos nucleares que desencadenan la desintegración radiactiva de los núcleos. Y también resulta valioso porque presumiblemente tiene la capacidad de permitir a los físicos de partículas identificar las propiedades de los núcleos justo antes de que se produzca su desintegración. Es evidente que queda mucho trabajo por hacer, pero estos descubrimientos estimulan la investigación en física de partículas y nos ayudan a entender mejor los fenómenos que rigen las propiedades de la materia.
Imagen de portada: Stefan A. Gärtner
Más información: Phys.org
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