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Las danzas del núcleo atómico

El interior de la materia es mucho más inquieto de lo quese pensaba

SÍRIO J.B. CANÇADOSolía imaginarse al átomo como un minúsculo sistema planetario en el cual el núcleo desempeña el papel de la estrella y los electrones representan a los planetas. En esa figura – se sabe ahora ingenua – todo el dinamismo les cabría a los electrones, mientras que el núcleo sería una isla de tranquilidad, habitada por protones y neutrones inmóviles, como si estuvieran pegados unos a otros. La realidad no podía ser más diferente.

El núcleo es, a decir verdad, una estructura extremadamente turbulenta, cuyas partículas se mueven e interactúan sin cesar. En esta agitación ininterrumpida, hay movimientos caóticos que desafían cualquier previsión. Pero en condiciones especiales como las producidas por un poderoso campo electromagnético, existen situaciones específicas de excitación, en las cuales protones y neutrones danzan organizadamente. En una de estas condiciones – llamada resonancia gigante – todas las partículas del núcleo vibran coherentemente al mismo tiempo. Un trío de investigadores del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (USP), en colaboración con especialistas de la Universidad Federal de Río de Janeiro (UFRJ) y del Instituto Tecnológico de la Aeronáutica (ITA) de São José dos Campos, acaba de formular una teoría para explicar la intrincada dinámica de este fenómeno que los físicos intentan entender desde los años 50.

Naturales y exóticos
Integrado por los profesores Mahir Saleh Hussein, Antonio Fernando de Toledo Piza y Maurício Porto Pato, el equipo de la USP no se limitó a ecuacionar las oscilaciones nucleares colectivas de los elementos de la naturaleza. Junto a Luís Felipe Canto, de la UFRJ, y Brett Vern Carlson, del ITA, el grupo explicó también los extraños movimientos que suceden en los núcleos llamados exóticos, que son producidos en laboratorio y tienen un número de neutrones (partículas sin carga eléctrica) menor o mayor que el normal y solo duran una ínfima fracción de segundo. Pero participan en etapas fundamentales en la evolución de las estrellas, de allí la importancia de estudiarlos.

En el transcurso del proyecto temático llamado simplemente Física Nuclear Teórica, desarrollado entre 1997 y el final del año pasado, los investigadores publicaron 59 artículos en revistas internacionales, nueve de ellos en la Physical Review Letters. Ahora ellos se lanzan en un emprendimiento más ambicioso: extender los conceptos elaborados a partir del núcleo atómico al movimiento sincronizado de átomos y moléculas. En ese campo más amplio, centran su atención en dos objetos de gran interés científico y tecnológico: las moléculas llamadas buckyballs (estructuras geodésicas perfectas formadas por 60 átomos de carbono) y los condensados de Bose-Einstein (gases atómicos enfriados hasta cerca del cero absoluto).

La gran hazaña del equipo hasta el momento fue producir una teoría que abarcara tanto el balet simple de las partículas nucleares durante su excitación colectiva como la agitación caótica que se instala a posteriori. La capacidad de lidiar con el caos es la principal diferencia entre el nuevo abordaje y el antiguo modelo explicativo (lea el cuadro), que solo funcionó bien mientras la energía que produce los movimientos coordinados de protones y neutrones se limitó a su valor mínimo, que corresponde a 1 quantum. Concepto creado al inicio del siglo XX para describir los movimientos oscilatorios en micro y macroescala, el quantum es una medida de energía que depende de la frecuencia de la oscilación del movimiento. Existen investigaciones del nivel energético de 1 quantum desde los años 50, cuando los físicos del proyecto aún estaban en los pupitres escolares. Hasta que, en el comienzo de la década del 90, un equipo del acelerador de partículas de la Gesellschaft für Schwerionenforschung,o Sociedad de Investigación de Iones Pesados (GSI), de Darmstadt, Alemania, logró generar excitaciones colectivas con 2 quantade energía. Fue entonces que la antigua teoría sufrió un vuelco.

Para producir la excitación colectiva en un acelerador de partículas, es necesario acelerar haces de núcleos y después hacerlos colisionar. El poderoso campo electromagnético generado por la aproximación de los núcleos actúa entonces sobre los componentes nucleares. “Los fotones (partículas portadoras del campo electromagnético) se acoplan a los protones (partículas de carga eléctrica positiva), desplazándolos colectivamente hacia el mismo lado. Y los neutrones compensan ese desplazamiento moviéndose hacia el lado opuesto, de modo tal de conservar una importante grandeza física, el momento o cantidad de movimiento”, dice Hussein. Protones acá, neutrones allá, los corpúsculos ejecutan su balet sincronizado.

Los experimentadores de la GSI alcanzaron la meseta de 2 quanta, la etapa siguiente del movimiento coordinado, imprimiendo a núcleos muy pesados – plomo, estaño, xenón, oro, uranio – una aceleración extremadamente elevada: 900 millones de electrones -volts (MeV) por partícula (ésa es la unidad de energía empleada en Física Nuclear: la masa del protón o del neutrón es de aproximadamente 1.000 MeV). Realizado en un aparato denominado Land (Large Angle Neutron Detector), que se encuentra al final del acelerador de partículas del GSI, el experimento ocurrió exactamente como estaba previsto desde el punto de vista cualitativo. Sin embargo, cuando se tomaron las medidas cuantitativas, se verificó que las cuentas no se correspondían con las estimativas teóricas basadas en el antiguo modelo atómico. Toledo Piza explica el porqué: “Esto se debe a que este tipo de excitación es un fenómeno extremadamente fugaz. Las partículas nucleares vibran apenas dos o tres veces en conjunto. Después, la energíase disipa, produciendo movimientos caóticos. Y el pecado de la antigua teoría consistía en no saber lidiar con este ingrediente ruidoso”.

Cuando el aporte energético quedaba en la marca de 1 quantum, no tenía mayores consecuencias, porque los analistas centraban el foco en las dos o tres vibraciones colectivas y lo que venía después no formaba parte de la cuestión: era como un residuo descartable. Cuando el equipo del GSI conquistó el nivel de 2 cuanta, se hizo imposible escamotear la complejidad del problema.

Ruidos en el camino
Ése era el estado del arte cuando el equipo brasileño entró en escena. Estudiando a fondo la cuestión, los físicos percibieron que los sistemas de partículas nucleares no respondían a los saltos de energía tan sencillamente como se suponía según el modelo anterior. “Protones y neutrones”, revela Hussein, “no evolucionaban del estado fundamental que caracteriza los núcleos encontrados en la naturaleza al estado excitado de 1 quantum, y desde allí, ordenadamente hacia el estado de 2 quanta. Había ruidos en el medio del camino. Y el efecto de esos ruidos debía ser computado. Porque el segundo quantum de energía excitaba a partículas ya dotadas del movimiento caótico producido por la disipación del primero.”En otras palabras, aquello que en los antiguos experimentos de 1 quantum podía ser tratado como residuo descartable, ahora marcaba la diferencia. Con recursos matemáticos sofisticados, los investigadores brasileños trataron de construir una teoría completa, capaz de acomodar tanto las oscilaciones colectivas como los movimientos caóticos.

La tarea fue exitosa a punto tal que ahora los investigadores alemanes de la GSI colaboran activamente con el equipo de la USP, al tiempo que se preparan para un vuelo experimental más alto: el estudio de excitaciones al nivel de 3 quanta. “No es una tarea fácil”, anticipa Thomas Aumann, uno de los investigadores da GSI que trabaja en colaboración con los físicos de la USP. Cuanto mayor es el nivel de energía, más rápido y ruidoso se torna el proceso, lo que exige de los experimentadores gran pericia y equipamiento muy especial.

“El modelo de la USP puede prever el estado de 3 quanta, y personalmente creo que existiría realmente una vibración de tres fonones”, comenta Aumann. El fonón equivale al quantum, la unidad de energía de la física cuántica. “Pero como físico experimental prefiero observar esa situación y compararla con la teoría de la USP.”En la franja de los 2 quanta, todos los elementos investigados se encuadraron perfectamente en la teoría del equipo de la USP, excepto el xenón, que – vaya a saber porqué – parece resistir a cualquier norma teórica. “Creemos que eso se debe más a alguna peculiaridad aún desconocida del núcleo del elemento que a eventuales deficiencias del nuevo modelo”, pondera Porto Pato.

Nuevo proyecto
El grupo está realmente confiado en la universalidad de la nueva teoría y, concluido el primer proyecto temático, ya ha iniciado el segundo, con miras a extender los mismos conceptos a otros agrupamientos de corpúsculos: los buckyballs y los condensados de Bose-Einstein.

Según el físico indio Jagadis Chandra Bose (1858-1937) y el alemán naturalizado estadounidense Albert Einstein (1879-1955), en temperaturas próximas al cero absoluto, los átomos que componen determinado tipo de gas se condensan y pasan todos a ocupar el estado cuántico de menor energía, más estable, en el cual permanecen prácticamente parados. Esos condensados fueron obtenidos recientemente por un grupo de físicos franceses, alemanes e italianos, que noticiaron el hecho en la revista Science del 20 de abril.

Los investigadores de la USP estudian la posibilidad de crear condensados híbridos, en los cuales pares de átomos se conviertan en moléculas y viceversa. “En ese caso, podría haber una oscilación colectiva, de átomos contra moléculas, análoga a la que ocurre entre los componentes del núcleo”, dice Toledo Piza. “Lo interesante”, agrega, “es que estos sistemas pueden ser muy grandes – con 500 mil átomos y alcanzando el tamaño de 1 micrón, por ejemplo – y, aun así, exhibir un comportamiento cuántico”. Es decir, un comportamiento de partículas subatómicas.

La descripción de este fenómeno es aún más compleja que la de las oscilaciones nucleares, porque mientras que en el núcleo el número de protones y neutrones permanece constante, en los condensados híbridos existe una variación permanente de la cantidad de átomos y moléculas, ya que unos se convierten en otros.

“Estamos interesados también en establecer un vínculo con los físicos experimentales dela USP en São Carlos, coordinados por el profesor Vanderlei Bagnato, que está procurando producir condensados de átomos de dos elementos diferentes: el rubidio y el sodio”, dice Hussein.Las perspectivas de aplicación tecnológica de esas investigaciones son muy prometedoras. El estudio de átomos fríos ha redundado, por ejemplo, en un perfeccionamiento enorme en las mediciones del tiempo. Gracias a dicho estudio, la precisión con la que se determina el tiempo hoy es de 1 en 100 trillones (el número 1 seguido de 17 ceros), lo que equivale a cometer un error de 5 segundos en la edad del universo.

La preocupación en alimentar el trabajo experimental es constante. La segunda parte de la investigación, dedicada a los núcleos exóticos, equivale a un fuerte empujón en la física experimental desarrollada en Brasil. Para entender qué son esos núcleos, cabe considerar el caso del litio. Los núcleos de litio encontrado en la naturaleza están constituidos por tres protones y cuatro neutrones. Por eso este elemento es conocido como litio 7, el número de sus partículas nucleares. Pero vía fragmentación de oxígeno es posible fabricar un litio 11, con cuatro neutrones más.

Núcleo extraño
El nuevo núcleo tiene características extrañas. Empezando por su tamaño: pese a estar constituido solamente por 11 partículas, el mismo es enorme, case tan grande como el del plomo, compuesto por 82 protones y 126 neutrones. “Esto se debe a un efecto cuántico que hace que, de los cuatro neutrones adicionales, tan solo dos queden confinados en el pequeño espacio ocupado por las siete partículas del núcleo básico. Los otros dos pasan a moverse alrededor de este carozo de nueve partículas, en un halo relativamente distante del centro”, explica Porto Pato. De allí la hinchazón del núcleo.

Pero el tamaño no es todo. Igualmente extravagante es la danza colectiva de esas partículas cuando el núcleo sufre la acción de un campo electromagnético. En este caso, dos modalidades de vibración que se combinan: los tres protones se desplazan contra los seis neutrones en el carozo; y el carozo completo se desplaza contra los dos neutrones del halo. La primera oscilación es rápida, típica de un cuerpo relativamente rígido, y la segunda lenta, acorde a un a sistema blando.

Por más intrincados que parezcan, esos movimientos compuestos son, en realidad, más simples que las oscilaciones colectivas producidas en el laboratorio de la GSI. Porque la vibración suave del carozo contra el halo tiene muy poca energía. “Son estados de un quantum apenas. De manera que, en ellos, los movimientos caóticos provocados por la disipación de la energía se tornan irrelevantes”, comenta Toledo Piza. Como caso particular, las oscilaciones de los núcleos exóticos pudieron ser perfectamente descritas por la nueva teoría, sin que fuera necesario utilizar todo el aparato matemático que el modelo contiene.

Éste es un estudio especialmente relevante en el dominio de la dinámica estelar. Uno de los objetos de interés, en este caso, es el boro 8, que tiene dos neutrones menos que el boro normal. “En el Sol, ese núcleo exótico decae, produciendo el berilio 8, que a su vez, se desintegra en dos partículas alfa (constituidas por dos protones y dos neutrones)”, explica Hussein. “En el decaimiento del boro 8, se produce supuestamente la liberación de un neutrino – partícula elemental de la misma categoría (leptón) del electrón – de energía alta. Conociendo mejor este núcleo, quizás podamos explicar por qué el número de neutrinos detectado en la Tierra es aproximadamente la mitad del previsto por el modelo estándar de la evolución solar.”

Las aplicaciones de la nueva teoría son amplias, pero esto no es todo. El proyecto ya ha puesto a Brasil en sintonía con el nivel internacional en física nuclear y atrajo a la USP s cuatro posdoctorandos: el inglés Adam Sargeant, el japonés Manabu Ueda, el ruso Oleg Vorov y el chino naturalizado brasileño Chi-Yong Lin. Otro desdoblamiento fue la realización del congreso internacional Collective Excitation of Bose and Fermi Systems, coordinado por los miembros del equipo y patrocinado por la FAPESP en 1998, que contó con la participación del físico William Phillips, ganador del Premio Nobel de 1997. Con esos antecedentes, es comprensible la expectativa en torno a los próximos pasos del grupo, que ahora coloca su mira sobre las agrupaciones de átomos y moléculas.

La teoría desde la Antigüedad 

Desde hace por lo menos tres milenios, el hombre procura develar el microcosmos de la materia 

La noción de átomo se remonta a las más antiguas escuelas filosóficas indias: el sistema Vaisesíka – nombre derivado del sánscrito visesas, “individualidad atómica” – postuló su existencia hace no menos que 2.800 años y, probablemente, haya heredado ese concepto de un pasado aún más remoto. Nosotros lo recibimos de Leucipo y su discípulo Demócrito, filósofos griegos del siglo V a.C.

La noción griega de átomo como fracción mínima e indivisible de la materia experimentó una radical transformación en 1897, con el descubrimiento experimental del electrón por parte del físico inglés Joseph John Thomson (1856-1940). Con base en ese hallazgo y en el hecho de que los átomos son eléctricamente neutros, Thomson supuso que éstos contuvieran un segundo ingrediente para contrabalancear la carga de los electrones. De allí surgió su modelo del átomo como un budín de pasas de uva: una carga positiva, distribuida uniformemente, formaría la masa del budín, mientras los electrones, salpicados aquí y allí, serían las pasas de uva. Un modelo sabroso, pero que no resistió a la observación.

Bombardeo
Dicha observación fue realizada por el neocelandés Ernest Rutherford (1871-1937) en 1910. Las partículas alfa (que hoy sabemos están formadas por dos protones y dos neutrones) acababan de ser descubiertas, y Rutherford resolvió usar esos minúsculos proyectiles, liberados en procesos radioactivos, para investigar la intimidad del átomo. Bombardeando una finísima lámina de oro con un haz de partículas alfa, verificó que la mayoría de los corpúsculos atravesaba a hoja prácticamente sin desviarse, al paso que unos pocos eran violentamente rebatidos.

Concluyó que los átomos de la hoja se estructuraban como diminutos sistemas planetarios. La mayor parte de su espacio interior permanecía vacía, atravesada sin problemas por las partículas alfa. La carga positiva se concentraba en un núcleo central, responsable por el rebatimiento de parte de los corpúsculos. Separados de la carga positiva por el vacío, los electrones giraban alrededor del núcleo como planetas en torno de una estrella.

Compatible con los datos experimentales y fácil de ser representado gráficamente, el modelo de Rutherford tenía también la virtud de llevar a los espíritus la reconfortante idea de que un mismo modelo de organización se reproducía en las estructuras del universo, del microcosmos al macrocosmos. Sin embargo, presentaba un importante defecto.

Según la física clásica, cargas en movimiento emiten radiación electromagnética y, al hacerlo, pierden energía. Es decir que los electrones en tránsito deberían tener una velocidad en continua disminución, y debido a ello, describir órbitas cada vez menores. En una fracción de segundo, éstos se chocarían contra los núcleos, no sobraría ningún átomo en el universo, ni estaríamos acá para contar la historia. Mentes conservadoras descartarían este modelo en nombre de las buenas leyes de la física. No fue lo que hizo el joven físico danés Niels Bohr (1885-1962), que en 1912 se juntó al equipo de Rutherford en la Universidad de Cambridge.

Salto cuántico
En una jugada de genio, Bohr incorporó al modelo planetario de Rutherford el concepto cuántico de energía, formulado en el comienzo del siglo por Max Planck (1858-1947). Según ese concepto, la energía no es un fluido continuo, como había pensado la física clásica, sino un flujo discontinuo de “granos”, cantidades mínimas no fraccionables llamadas quanta (plural de quantum en latín). El propio Planck no tomaba esa idea muy en serio y solamente la había utilizado como artificio matemático. Pero Bohr se aferró a ella y, tras meses de cálculos, produjo el primer modelo cuántico del átomo. En éste existen órbitas precisas en las cuales el electrón se mueve sin emitir radiación. El intercambio de energía con el medio solo ocurre cuando el electrón “salta” de una de esas órbitas estacionarias a otra. Ese “salto cuántico” es uno de los aspectos más revolucionarios del nuevo modelo: sin pasar por el “espacio intermedio”, el electrón sencillamente desaparece de su órbita original para aparecer instantáneamente en la otra.

En 1913, Thomson descubrió que un elemento químico podía tener átomos con la misma carga eléctrica y masas diferentes, llamados isótopos. La existencia de éstos sugería que, además de partículas negativas (electrones) y positivas (protones), los átomos debían contener un tercer tipo de corpúsculo, neutro, pero macizo. Rutherford denominó a esa partícula neutrón, mas su existencia solo fue demostrada experimentalmente por el inglés James Chadwick (1891-1974), en 1932. Con masa relativamente próxima a la del protón, el neutrón compone con éste el núcleo atómico.

Fuerte interacción
Sabemos hoy que el núcleo es de 10 mil a 100 mil veces menor que el átomo. Dependiendo del número de partículas que contenga, su diámetro medio oscila entre 10-15 y 10-14 metro. El volumen consecuente es tan exiguo que nos puede llevar a la falsa idea de que los protones y los neutrones estarían sencillamente exprimidos en su interior, siendo incapaces del menor movimiento. Pero no es eso lo que ocurre. Éstos disponen, la verdad, de espacio suficiente para desarrollar velocidades del orden de los 30 mil kilómetros por segundo, la décimo parte de la velocidad de la luz. Y como sucede con el propio átomo, se distribuyen en una estructura en capas que se rige por principios cuánticos. Su confinamiento en una región tan pequeña se debe a la llamada interacción fuerte, que impide que el núcleo se astille por efecto de la repulsión electromagnética entre los protones. La intensidad de esa fuerza es de 100 a 1.000 veces superior a la de la interacción electromagnética. Pero su alcance es extremadamente limitado: no más que 10-15 m, mientras que la fuerza electromagnética se propaga indefinidamente.

Esa interacción fuerte, que en su reducido ámbito de actuación es la fuerza más poderosa de la naturaleza, tiene otra extraña peculiaridad: deja de ser atractiva para ser repulsiva cuando las partículas se aproximan demasiado entre sí. Eso permite que mantenga el núcleo cohesionado, y al mismo tiempo, evita que protones y neutrones se aplasten unos contra otros. Los físicos creen además que ésta es responsable por la propia existencia de los protones y neutrones, ya que mantiene aprisionados en su interior a los corpúsculos aún menores que los constituyen: los quarks, cuya existencia fue postulada en la década del 60 por el norteamericano Murray Gell-Mann (1929-).

Según el modelo estándar vigente en la física de partículas, lejos de ser minúsculas esferas desprovistas de estructura interna, los protones y neutrones se asemejan más a ínfimos pero turbulentos océanos. En cada uno de éstos, tres quarks se mueven a altísima velocidad en medio a una nube formada por gluones, partículas portadoras de la interacción forte.

Dentro de esa nube, fluctuaciones de energía hacen que pares de quarks y antiquarks se materialicen y desmaterialicen incesantemente, sobreviviendo por tan solo fracciones de segundo.

Ese flujo ininterrupido ya ha sido comparado con una tempestad en el interior de una gota, imagen que representa adecuadamente el dinamismo del mundo atómico y subatómico, donde no hay lugar para el reposo o la permanencia.

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