lunes, 15 de enero de 2018

Yo quiero ser Físico Nuclear y de Partículas - Óscar Moreno

Y yo quiero ser...Físico Nuclear y de Partículas
(Por Óscar Moreno)


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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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