Y yo quiero ser...Físico Nuclear y de Partículas
(Por
Óscar Moreno)
Cuando se
piensa en los laboratorios necesarios para realizar experimentos con núcleos y
partículas, inmediatamente nos vienen a la mente las grandes instalaciones que
aparecen de vez en cuando en los medios de comunicación, como el Gran
Colisionador de Hadrones (LHC, por sus siglas en inglés), que es el mayor de
los aceleradores del CERN, en Ginebra. ¿Por qué se necesita un anillo de 27 km
de longitud para estudiar partículas tan pequeñas que en muchos casos son
consideradas como puntos matemáticos? La razón es que la teoría cuántica
predice que cuanto más pequeña es la región del espacio que queremos explorar y
más cortos los tiempos en que suceden los procesos, más amplios deben ser los
rangos empleados de energía. Esta es una de las consecuencias más extrañas del
mundo cuántico, que impone severas restricciones en el avance experimental de
la disciplina.
Sin embargo,
un físico nuclear y de partículas teórico se aísla en cierto modo de esas
dificultades (y éxitos) de la ingeniería y concentra su trabajo en el verdadero
laboratorio que ofrece la naturaleza para estudiar las partículas: el núcleo
atómico. La utilidad de este microscópico sistema (del tamaño de una
milbillonésima de metro, 10-15 m) es que las partículas interactúan
en él y con él de muy diversas maneras, y del estudio de esos procesos se puede
extraer una gran cantidad de información sobre la naturaleza de esas partículas
o sobre la propia estructura de los núcleos y de los átomos. Buena parte de las
interacciones entre partículas y núcleos no son más que choques entre ellos,
que se denominan dispersiones o procesos de scattering.
Se trata de la versión científicamente rigurosa de matar moscas a cañonazos,
solo que en este caso no es sinónimo de método ineficaz sino de todo lo
contrario, porque estudiando la energía con la que salen despedidas las
partículas que chocan con los núcleos se aprende muchísimo de la física a
escalas microscópicas. También son muy interesantes los procesos en que los
núcleos emiten partículas espontáneamente, que se denominan desintegraciones
radiactivas. Las más conocidas son la desintegración alfa (que emite núcleos
del elemento helio), la beta (que emite electrones, neutrinos y otras
partículas similares) y la gama (que emite fotones, como los de la luz visible
pero mucho más energéticos).
Para entender
mejor por qué los núcleos son tan buenos laboratorios para estudiar las
partículas, es necesario retroceder a la física más fundamental que conocemos. En
el nivel más básico de la naturaleza existen solamente, que sepamos, cuatro
fuerzas distintas que actúan entre las partículas de materia. Reciben el nombre
de interacciones fundamentales, y en la vida cotidiana estamos familiarizados
con dos de ellas: la interacción gravitatoria y la electromagnética. La primera
nos mantiene pegados a la superficie terrestre, además de retener a la Luna en
órbita alrededor de la Tierra y a esta en torno al Sol. La interacción
electromagnética, por su parte, es la responsable de todos los fenómenos
eléctricos, magnéticos, ópticos y químicos que nos rodean. Las dos
interacciones fundamentales restantes, por el contrario, no tienen efectos
aparentes en las escalas de tamaño en las que vivimos, sino solo en la
pequeñísima escala de los núcleos atómicos. Se denominan interacción fuerte e
interacción débil, haciendo referencia a su intensidad. La primera es
responsable de mantener unidas las partículas que forman los núcleos atómicos,
protones y neutrones, y la segunda es la causante de una de las
desintegraciones de las que hablábamos antes, la beta, entre otros procesos. El
núcleo atómico es el único sistema físico complejo en el que intervienen tres
de las cuatro interacciones fundamentales: la electromagnética (porque los
protones tienen carga eléctrica), la fuerte y la débil. Por eso las partículas
subatómicas que interactúan con los núcleos lo hacen de maneras tan variadas y
revelando tanta información sobre su naturaleza.
La cuarta
interacción, la gravitatoria, es mucho menos intensa que las demás, y no tiene
apenas relevancia en procesos nucleares y de partículas. Pero sí interviene de
manera esencial en otros objetos mucho más grandes de nuestro universo: las
estrellas. Ellas constituyen el otro gran laboratorio de los físicos nucleares
teóricos, ya que su estructura y comportamiento depende de las tres interacciones
relevantes en la escala nuclear y, además, de la interacción gravitatoria.
Efectivamente, el interior de las estrellas se rige por las leyes de la física
nuclear, en concreto de la rama denominada astrofísica nuclear. La ingente
cantidad de energía que se libera en las estrellas procede de reacciones de
fusión (unión) entre núcleos, que son también las encargadas de producir los
elementos pesados en nuestro universo. A excepción del hidrógeno, el resto de
elementos que forman parte de nuestro planeta y de nosotros mismos han sido
creados en el interior de una estrella: somos, en sentido literal, polvo de
estrellas.
Fig. 1. Esquema de la
estructura de la materia desde las escalas cuánticas hasta las astrofísicas,
indicando los tamaños característicos y las interacciones fundamentales
predominantes. La física nuclear y de partículas juega un papel esencial en el
interior de los átomos y en el interior de las estrellas.
Una de las
características más seductoras de la física nuclear y de partículas es su
carácter reduccionista, en el sentido de que describe los enormemente complejos
procesos que ocurren en la naturaleza con sólo cuatro interacciones distintas
actuando entre un conjunto reducido de partículas elementales. Para todo
científico movido por una irreprimible necesidad de comprender el mundo en el
que vive, esta simplificación aparece casi como una revelación. Sin embargo, el
reduccionismo no es algo que deba llevarse demasiado lejos. ¿Se atrevería
alguien a explicar el funcionamiento del cerebro humano a partir de las leyes
de la mecánica cuántica que rigen el comportamiento de los núcleos y las
partículas? Casi mejor no intentarlo. Para eso tiene la ciencia otras
disciplinas más adecuadas a cada nivel de complejidad, como la química, la
bioquímica, la biología, la psicología, etc. Pero no deja de ser cierto que, al
menos en teoría, todas las leyes y principios del resto de ciencias naturales
se podrían reducir a los de la física nuclear y de partículas, porque es esta
la que contiene los ladrillos básicos de la materia, sus influencias mutuas y,
en definitiva, las leyes más fundamentales del universo.
Además de su
evidente relación con la ciencia básica, la física nuclear y de partículas
tiene numerosas aplicaciones tecnológicas. Se emplea en el análisis de
materiales, que son bombardeados por diversos tipos de partículas para estudiar
su estructura; para estudiar procesos biológicos, geológicos o agrícolas
mediante trazadores, que son moléculas que contienen átomos radiactivos; en
diversos procesos industriales para medir el espesor de materiales, el nivel de
llenado de recipientes, etc.; para esterilizar alimentos y materiales de uso
médico; para la datación de rocas, restos biológicos, etc., como la conocida
prueba del carbono-14; y otros muchos usos. Mención especial merece la
obtención de energía de origen nuclear en forma controlada para impulsar
vehículos (submarinos, sondas espaciales) o para ser transformada en energía
eléctrica en las centrales nucleoeléctricas. En estas se aprovecha la energía
liberada en reacciones controladas de fisión (escisión, ruptura) nuclear en
cadena, que se pusieron a prueba por primera vez hace ahora 75 años en la
denominada pila de Fermi, en honor al impulsor del proyecto, Enrico Fermi. De
hecho, casi todas las fuentes de energía que aprovecha la humanidad en su
beneficio proceden directa o indirectamente de la energía nuclear. Así, la
energía solar térmica y fotovoltaica proviene indirectamente de las reacciones
de fusión nuclear en el interior del Sol. Lo mismo ocurre con la energía
eólica, de las olas y de las corrientes marinas, que se generan por la distinta
incidencia de la radiación solar en diferentes regiones de la atmósfera o de
los océanos. Las masas de agua situadas a cierta altura, cuya caída se
aprovecha para la generación de energía hidroeléctrica, han llegado hasta ahí
tras absorber radiación solar, evaporarse y finalmente caer en forma de
precipitación. Por último, los combustibles fósiles y biocombustibles no son
otra cosa que luz solar captada y almacenada mediante las reacciones fotosintéticas
de las plantas.
Con mayor
énfasis aún cabe reflejar aquí los usos médicos de las radiaciones nucleares,
que tuvieron una de sus primeras aplicaciones en los coches dotados con
máquinas de rayos X que ideó Marie Curie para atender a los soldados en la
Primera Guerra Mundial. Los usos médicos incluyen métodos de diagnóstico, como
las radiografías realizadas con los mencionados rayos X, y métodos de terapia,
como las radiaciones ionizantes empleadas para el tratamiento de tumores. La
fuente de las radiaciones puede estar encapsulada y situarse a cierta distancia
del paciente, constituyendo los métodos radiológicos; o bien puede tratarse de fuentes
abiertas y de radiofármacos que se inyectan directamente en el paciente,
técnicas que se engloban en la medicina nuclear. Tampoco podemos olvidar el
protagonismo que, por desgracia, ha tenido la física nuclear en los
acontecimientos históricos desde mediados del siglo XX hasta hoy, a través de
las armas nucleares, que emplean reacciones de fisión y fusión. La ciencia y la
tecnología nucleares resultan imprescindibles para entender el devenir
histórico de la Segunda Guerra Mundial, de la posterior Guerra Fría, y buena
parte del statu quo geopolítico
actual.
En definitiva,
la física nuclear y de partículas nos permite comprender el origen y evolución
de la materia tras el Big Bang, así como la creación de elementos pesados y la
generación de energía en las estrellas, que es el motor del desarrollo de la
vida y de nuestra civilización. Nos abre las puertas a la comprensión de los
ladrillos básicos de la materia, para profundizar en los que ya conocemos y
descubrir otros nuevos, como la materia oscura. Esto a su
vez nos ilumina el camino hacia la comprensión del universo a gran escala, a
través de los efectos gravitatorios y cosmológicos. Empleamos las radiaciones
nucleares en multitud de aplicaciones industriales y tecnológicas, incluyendo
la obtención directa de energía de la fisión nuclear, y quizá en un futuro
también de la fusión nuclear, y para el diagnóstico y el tratamiento de
enfermedades. Además, la física nuclear nos ofrece claves para interpretar los
últimos 80 años de nuestra historia, con la vista puesta en no repetir los
errores del pasado y en centrar nuestros esfuerzos en el avance tecnológico
pacífico de la humanidad. ¿Quién da más?
Óscar Moreno
Doctor
en Ciencias Físicas
Departamento de Estructura de
la Materia, Facultad de Ciencias Físicas, Universidad Complutense de Madrid, y
Grupo de Química y Física Teóricas, Instituto de Estructura de la Materia, CSIC
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