Entre fantasmas

Casi invisibles, entre nosotros y a través de nosotros, son difíciles de detectar, pero existen.

Los neutrinos burlan los sistemas de detección con una facilidad fantasmagórica. La posibilidad de que estas partículas elementales existieran nació de una incoherencia experimental en las desintegraciones nucleares. En otras palabras, no salían los cálculos. Pongamos un ejemplo: sea un núcleo de Z protones (carga positiva) y N neutrones (sin carga eléctrica). De repente, uno de esos neutrones se convierte en un protón escupiendo un electrón (si Feynman levantara la cabeza...). Resultado, el núcleo de Z protones y N neutrones se ha convertido en uno de Z+1 protones y N-1 protones y por añadidura un electrón exiliado, pululante por el universo. Hemos descrito aquí el proceso de desintegración beta menos. Si echamos cuentas, en el proceso básico de conversión

n -> p + e
la carga se conserva: carga neutra -> carga positiva + carga negativa

pero para cuadrar la teoría con la medida experimental de la energía de los electrones producidos* se hace necesario que la conversión del neutrón no resulte en sólo un protón y un electrón, sino en algo más: una partícula de masa ínfima que respete la conservación de la carga, es decir, neutra. Por razones obvias, se bautizó a esta partícula como neutrino.

¡¡¡ n -> p + e + neutrino !!!
carga neutra -> carga positiva + carga negativa + carga neutra

La hipótesis del neutrino, propuesta por Pauli en 1930, proporcionó una nueva misión a los físicos experimentales, la de su detección, que no iba a resultarles nada fácil, pues el neutrino es muy pequeño y ligero y no interacciona electromagnéticamente, lo que les permite viajar sin interaccionar, pasar desapercibidos, atravesar el vacío, nuestros detectores, nuestros cuerpos, el planeta entero, sin distinguir. Como fantasmas. ¿Cómo "cazarlos", entonces?

En 1950, el equipo de Reines y Cowan puso en marcha el proyecto Poltergeist para la caza de esta peculiar partícula, que se había ganado la fe de los científicos a pesar de su carácter enteléquico. Se les ocurrió constatar la existencia del neutrino indirectamente: no mediante su detección, sino mediante la detección de las partículas a las que daría lugar si protagonizara la reacción inversa a la arriba escrita, es decir:

p + neutrino -> n + e*
carga positiva + neutra -> neutra + carga positiva

en la que un neutrino reacciona con un protón nuclear para convertirlo en un neutrón y escupir un positrón (el e*, la antipartícula del electrón: un electrón cargado positivamente). La idea era aprovechar los neutrinos (teóricamente) provenientes de un reactor nuclear estable y esperar que la reacción tuviese lugar en un recinto monitorizado, un tanque de agua. Gran cantidad de neutrinos atravesaría contenedor y contenido sin interaccionar, pero quedaría probada su existencia si dicha reacción sucediera.

En tal caso, se generaría un positrón cuyo destino sería la aniquilación con un electrón del medio y consecuente emisión energética característica (antimateria+materia= energía detectable); y además un neutrón, a captar por una sustancia en suspensión que emitiría en consecuencia otra energía característica. Tanto la energía de la desintegración positrón-electrón como la de la desexcitación de la sustancia orgánica, imaginémoslas como rayos de luz -al fin y al cabo lo que son-, serían registradas por fotodetectores, ojos electrónicos, en las paredes del tanque de agua, con un aspecto parecido al de la imagen siguiente

yo también quiero mi cuarto decorado con fotodetectores

Expuesto de una manera muy sencilla: imaginaos observando un aljibe y que, de repente, os sorprende el destello de dos lucecitas en el agua, una roja y otra azul. Diríais, ha pasado un neutrino.

El "método del aljibe" dio resultado e inscribió sus nombres en la lista de los Nobel de Física, además de despejar toda duda sobre la existencia de las partículas fantasma, que hoy han de aparecer en cualquier tabla de partículas elementales que se precie, y ser la base conceptual de monumentales y bellísimos detectores de neutrinos modernos como el Ice Cube -en proyecto- y el Superkamiokande japonés.

los japos la tienen más grande que nadie

Os recomiendo el artículo que dedicó Fogonazos al Superkamiokande. Bellísimo. Escenario de ciencia ficción.

Igualando densidades.

A veces, resulta sorprendente como con una simple combinación de propedades físicas e ingenio, se puede llegar a hacernos sorprender como niños:

La densidad de un cuerpo o su relación entre la cantidad de masa y volumen ,nos ayuda a comprender por qué una piedra no va a flotar en el lago y sin embargo un trozo de madera sí.

El agua es más densa que el aceite pero si la mezclamos con etanol en las proporciones adecuadas conseguiremos igualar las densidades y tener las gotas en suspensión formando esferas.

En realidad con este simple experimento podemos hablar de varias y curiosas propiedades de los líquidos como son la tensión superficial o solubilidad de sustancias según su naturaleza. Veámoslo en video mejor :)

Pero el objetivo de esta entrada no es otro que inaugurar una sección respecto a un tema que muchos olvidamos y es, la belleza de la ciencia.

Haciendo piña. La interacción fuerte.

El siglo XIX fue testigo del descubrimiento de partículas subatómicas poco antes de expirar. Hasta entonces se había considerado que el constituyente último de la materia y de la realidad era el átomo. Si los experimentos de Thomson dieron a conocer al mundo la existencia del electrón, fueron los de Rutherford los que catapultaron al protón a los libros de texto. Ya en el siglo XX Chadwick se encargaría de añadir a la lista de partículas subatómicas el neutrón.

Hasta donde enseñan en el instituto, las partículas últimas constituyentes de la materia son electrón, protón y neutrón. La constatada existencia de los quarks incrementa la atomización de la materia, pero a día de hoy la gran variedad de partículas elementales que se producen en los aceleradores sugiere cautela a la hora de afirmar "hasta aquí se divide la materia, no hay más".

Por contra, la imagen del átomo constituido por un núcleo cargado positivamente envuelto en una nube de electrones no parece presentar más misterio; así como tampoco la interacción de los electrones con los protones que, junto con los neutrones, constituyen el núcleo. De todos es sabido que la carga del electrón es negativa, que la carga del protón es positiva y que el neutrón carece de ella. De todos es sabido que por interacción electromagnética, las cargas del mismo signo se repelen y las de signo opuesto se atraen. Esto suscita una pregunta sobre la estabilidad del núcleo de los átomos: ¿cómo narices consiguen los protones permanecer unidos en el núcleo? ¿qué les impide repelerse? ¿no deberían desperdigarse violentamente? Entra en juego un nuevo tipo de interacción fundamental: la interacción fuerte.

La idea de la interacción fuerte se asimila si comparamos primero la interacción gravitatoria con la electromagnética y posteriormente ésta con la fuerte. El movimiento de los astros parece regirse por la gravedad que generan. La gravitatoria es una interacción de muy largo alcance. La atracción ejercida por el sol afecta desde Mercurio hasta el cinturón de Kuiper y se deja notar más allá, de donde proceden los cometas. Aquí en la Tierra la tenemos muy presente cuando se nos cae algo de las manos, cuando nos asomamos con algo de vértigo a un balcón, cuando viajamos en avión, cuando vemos caer una manzana... Nos mantiene pegados al suelo. Menos presente tenemos la electromagnética, pero precisamente es la que nos impide "hundirnos" en él. Sabemos que existe, claro, sabemos eso de las cargas y sus signos que nos explicaron un día, que algo de eso hay cuando encendemos la luz o se nos eriza el vello al acercarlo a la ropa un día de viento; no obstante, se puede decir que pasa desapercibida aunque estamos seguros de que en las entrañas de la materia, donde nuestros ojos no pueden ver, la interacción electromagnética es reina y señora por encima de la gravitatoria. Ello es debido a que la interacción electromagnética es enormemente más intensa en la escala atómica. Por este motivo los electrones no se atraen como si de dos microplanetas se tratasen. Predomina la interacción electromagnética frente a la gravitatoria.

Para Schröedy la gravedad es una evidencia aplastante

Descendamos en escala un poco más. Olvidémonos de todos esos electrones pululantes. Como una cámara indiscreta penetramos en la nube electrónica para descubrir qué reviste. Y cuando la dejamos atrás, ajá, ahí está el núcleo: una sólida piñata de neutrones y protones que no se desintegra. ¿Por qué? ¿Existirá una interacción fundamental más importante que la electromagnética? ¿Una interacción tan tan intensa que la ridiculice de igual modo que a escalas microscópicas la electromagnética vence por goleada a la gravitatoria? ¿Una interacción atractiva que venza la repulsión electrostática entre los protones, al igual que la repulsión electromagnética entre electrones vence su nimia atracción gravitatoria? En efecto, existe. Es la llamada Fuerza Fuerte, y resulta que no distingue entre protones y neutrones, para la Fuerza Fuerte son casi lo mismo: los protones se atraen fuertemente... ¡los neutrones también!.

A decir verdad, la Fuerza Fuerte que confina los nucleones en el núcleo no es la Fuerza Fuerte propiamente. Se la suele llamar Fuerza Nuclear, y es un residuo de la verdadera Fuerza Fuerte: la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el protón, la que mantiene unidos los tres quarks que constituyen el neutrón. Curiosamente, los tres quarks no interaccionan: están juntitos porque no les queda más remedio, si se separaran tan solo un poco, interaccionarían fuertemente, experimentarían una atracción brutal que los llevaría a unirse, punto en que dejan de interaccionar.

La propiedad en virtud de la cual interaccionan las partículas vía fuerza fuerte se llama COLOR, y su mecánica se estudia en Cromodinámica Cuántica... de ahí que quizá hayáis oído hablar de quarks coloreados: verdes, azules, rojos... qué pintoresco...

hemos pillado al neutrón en cueros en el cuarto de baño y resulta que está constituido

por tres quarks (up, down y down) de color azul, verde y rojo, confinados por i. Fuerte

Ciclotrón

Los aceleradores de partículas tienen la finalidad, como su pripio nombre indica, de acelerar las partículas, conferirles energía hasta un valor determinado. En esencia, tanto los modernos y más grandes aceleradores de partículas -como el famoso CERN en Ginebra- como los modelos más antiguos -el acelerador lineal de Walton de 1932, con el que se produjo la primera reacción nuclear artificial- consiguen suministrar energía a las partículas mediante la aplicación de campos eléctricos que aceleran las cargas; en muy grandes líneas, de un modo parecido a la aceleración que experimentan los cuerpos en caída libre por acción del campo gravitatorio. Acelerar partículas, aumentar su energía, ofrece múltiples aplicaciones científicas, como por ejemplo la búsqueda de nuevas partículas subatómicas, el estudio de estructuras microscópicas -los aceleradores como gigantescos microscopios- , e industriales. Pero también encuentra aplicación médica en el tratamiento de tumores, en los que las partículas aceleradas con las que se bombardean depositan con buena precisión toda su energía destruyendo las células tumorales.

El ciclotrón -sobre estas líneas-, uno de tantos tipos de aceleradores, es habitualmente usado con este último fin y también ha sido utilizado en la investigación nuclear. Consiste en dos piezas con forma de D, enfrentadas y sepadaras una determinada distancia, que se sitúan entre dos imanes gigantescos, tal y como muestra la siguiente figura

Las Ds se hallan conectadas a terminales diferentes de una fuente de corriente alterna, lo que supone la aparición de un campo eléctrico en el espacio entre las Ds de orientación periódicamente variable. Para comprender su funcionamiento seguiremos la trayectoria de una partícula cargada desde su posición inicial hasta el blanco -target. Bajo estas líneas, una vista en planta y de perfil:

Las partículas que se desean acelerar son inyectadas en el centro del círculo que las Ds completan, en un punto del intersticio equidistante de sus caras enfrentadas. Dado que existe un campo eléctrico entre las Ds, las partículas son aceleradas -por ejemplo- hacia la D superior, como si la D superior las atrajera y la D inferior las repeliera. Su trayectoria se curva por la acción del campo magnético que aparece entre los imanes que emparedan las Ds -véase en la figura superior el dibujo de la derecha- que por añadidura restringe la circulación de las partículas al plano de las Ds. Así pues, debido a esta curvatura, la partícula que penetra en la D superior regresa al intersticio, donde para ser acelerada de nuevo debe ser atraída ahora por la D inferior y repelida por la D superior, en contra de lo que inicialmente sucede. Para que una segunda aceleración tenga lugar tal y como se ha explicado, el sentido del campo ha de cambiar, de ahí que la fuente de alimentación haya de ser de corriente alterna: ésta se ocupa de conmutar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula va a realizar el salto de una D a otra. Una vez ha penetrado en la D inferior, de nuevo su trayectoria se curva por la acción del campo magnético. Como el radio de las trayectorias circulares es proporcional a la velocidad de las partículas, en la D inferior -donde la partícula ha penetrado con más velocidad que con la que penetra por primera vez en la D superior- el radio de la trayectoria es mayor, y cada vez que realiza un salto -cada vez que gana velocidad- el radio se va haciendo mayor, de ahí que la trayectoria sea espiral saliente.

Así pues, las partículas pasan de una D a la otra acelerándose en el intersticio de manera continua gracias a la acción sincronizada de la fuente de alimentación, aumentando su radio de curvatura y describiendo una trayectoria espiral saliente hasta que son expulsados del aparato y proyectados hacia el blanco que se desea bombardear.

Una de las limitaciones de los ciclotrones viene impuesta por la fuente de alimentación. Ésta, como hemos señalado, ha de cambiar la polaridad de las Ds cada vez que la partícula vaya a saltar de una a otra. Dado que las partículas describen trayectorias cada vez más abiertas y recorren más espacio, aunque viajen más rápido, el tiempo que tardan en pasar de una D a otra se mantiene constante, de manera que se puede fijar la frecuencia con que la fuente cambia su polaridad. Sin embargo, cuando las partículas adquieren energías muy altas, los efectos relativistas dan al traste con esta sincronización y se ha de modificar el diseño si se desea que alcancen dichas energías. De lo contrario, esto supone una limitación en la energía máxima que las partículas pueden adquirir; sin embargo, es suficiente para fines como la investigación nuclear y el tratamiento de tumores.