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Física

De regreso a la actividad

El modernizado acelerador de partículas de la USP sigue descifrando el comportamiento de los núcleos exóticos

EDUARDO CESARLos núcleos exóticos son como estrellas de cine: su comportamiento no siempre es fácil de explicar. Pero físicos de la Universidad de São Paulo (USP) están usando un acelerador de partículas de baja energía para escrutar cómo reaccionan esas extrañas criaturas los núcleos, no los actores durante las colisiones, con la esperanza de aprender más sobre la estructura de las partículas y sobre las fuerzas que rigen el Universo.

En tres estudios recientes, el grupo de Rubens Lichtenthäler Filho, del Instituto de Física de la USP, siguió de cerca las reacciones de un elemento químico poco común, el helio 6. Inestable, este núcleo formado por seis partículas subatómicas dos con carga eléctrica positiva (protones) y cuatro sin carga (neutrones), dos neutrones más que la forma más común y estable del helio vive menos de un segundo. Al hacer colisionar un haz de estas partículas contra un blanco de estaño, los físicos obtuvieron datos de propagación (y de lo que sobra de ésta) que pueden ayudar a comprender de qué modo la forma del núcleo de helio 6 afecta a su capacidad de fundirse con otros átomos. Conocido como fusión nuclear, este fenómeno es importante para entender de qué manera los elementos químicos más pesados del Cosmos son creados en las explosiones de supernovas, estrellas de masa elevada cuyo combustible nuclear se agotó, por ejemplo.

Pero no sólo de altas energías vive la física de partículas. Aunque experimentos en instalaciones gigantes como el europeo LHC (Large Hadron Collider o gran colisionador de hadrones), el mayor acelerador de partículas del mundo, llaman más la atención, a decir verdad la mayoría de las reacciones nucleares que suceden en el Universo, incluso las que generan los elementos más pesados en las supernovas, tienen niveles energéticos muchos más modestos. Y buena parte de ellas sigue tan sin explicación como antes.

Los misterios de estas interacciones constituyen la principal pauta de los físicos del Pelletrón, el acelerador instalado en los años 1970 en la USP por el físico Oscar Sala, ex director científico y ex presidente de la FAPESP. Este equipamiento pasa ahora por una amplia refacción y modernización, que dará un nuevos bríos la investigación nuclear nacional. Una de las especialidades del Pelletrón es el estudio de los núcleos exóticos, a través del proyecto Ribras (o Haces de Iones Radiactivos en Brasil), coordinado por Lichtenthäler Filho. Instalado en el Pelletrón, el Ribras es el único equipamiento del Hemisferio Sur capaz de producir haces de núcleos exóticos.

Excentricidad
¿Pero qué son al fin y al cabo esos núcleos exóticos? Se les da ese nombre cuando su composición nuclear los vuelve inestables, y su existencia es muy corta. Esto sucede cuando existe un desequilibrio grande entre el número de protones y el de neutrones. El helio, por ejemplo, el segundo elemento más abundante del Universo, tiene dos protones en el núcleo. Pero puede tener un neutrón (helio 3), dos (helio 4) o más. Sucede que las versiones con más de dos neutrones son inestables. El helio 5 es el más raro y, una vez formado, dura una fracción tremendamente pequeña de segundo: del orden de 10-22 segundos. En tanto, el helio 6 tiene una mediana vida, tiempo en que la mitad de la muestra sufre decaimiento radioactivo y se transforma en otro elemento, de 0,8 segundo.

Una de las curiosidades de los núcleos exóticos es que exhiben formatos y tamaños incompatibles con su masa, definida por la suma de protones y neutrones (lea en Pesquisa FAPESP 99 y 120). Como los protones y los neutrones tienen más o menos la misma masa, se imaginaba que el litio 6, que es estable y tiene tres protones y tres neutrones, y el helio 6, con dos protones y cuatro neutrones, pero inestable, tuviesen casi el mismo volumen. Pero no es lo que sucede, explica Lichtenthäler Filho. El helio 6 tiene un halo, como si hubiera una nube de neutrones alrededor del núcleo, con lo cual su volumen se vuelve mucho mayor, añade. Esto cambia la forma en que suceden las interacciones nucleares, volviéndolas más frecuentes y poderosas. Grosso modo, cuanto mayor el volumen, mayor la posibilidad de colisión.

La manera en que se alteran estas interacciones es algo que hasta el momento la teoría no prevé completamente. Por eso los experimentos son fundamentales para comprender qué pasa con esos núcleos atómicos hinchados.

EDUARDO CESAREl Ribras fue instalado en 2004, pero la alegría de los físicos duró poco. Al año siguiente un accidente afectó severamente al Pelletrón, y casi eliminó su capacidad productiva. En un experimento realizado en abril de 2005, se usó accidentalmente el metal indio para pegar dos piezas en el sistema de vacío vecino al tubo acelerador, comenta Alinka Lépine-Szily, directora del Pelletrón desde 2007. Además de ser buen conductor, el indio es un metal que tiene una temperatura de evaporación muy baja.

El acelerador quedó conectado toda la noche luego de aquella operación, sin que la válvula que aísla al tubo acelerador hubiese sido cerrada. Resultado: el indio se evaporó, entró en el sistema y se condensó en las paredes de cerámica del interior del tubo. Al encender nuevamente el dispositivo, había chispas por todos lados. Para peor, la electricidad descontrolada convirtió el gas del tanque del acelerador en ácidos corrosivos que dañaron a otro elemento crítico del sistema, las corrientes de carga.

El acelerador pasó los dos años siguientes más tiempo desconectado que conectado, y cuando estaba en operación trabajaba con un nivel de energía muy inferior a lo normal. Idealmente, el Pelletrón opera con 8 millones de voltios, y esa potencia no fue totalmente recuperada. No fue precisamente una tarea sencilla traer al Pelletrón de vuelta a la frontera de la ciencia. Importado desde Estados Unidos, el acelerador de la USP es el más antiguo de su categoría. Esta ubicado en una torre de ocho pisos del Instituto de Física y tiene disposición vertical. Las átomos que producen los haces empleados por los físicos parten de la cima, en donde ganan electrones y pasan a tener carga negativa. Entonces son atraídos por el terminal del acelerador, ubicado a mitad de camino entre el octavo piso y el suelo, con una energía de hasta 8 millones de voltios. Al pasar por el terminal, los núcleos pierden sus electrones al atravesar una fina ampolla de carbono. Por ende, quedan con carga positiva y adquieren impulso adicional. Al llegar a la planta baja, son manipulados por medio de un campo magnético para hacer una curva de 90 grados, y luego son desviados a una de las siete líneas disponibles, cada una conectada a un instrumento diferente.

La edad avanzada, por sí sola, no sería un problema para el acelerador, de acuerdo con Alinka. En Australia está el otro más antiguo después del nuestro, es solo dos años más reciente, y está en maravillosas condiciones. Para ella, el problema acá es la falta de recursos constantes y suficientes para el mantenimiento de la máquina. Pero luego del accidente de 2005, surgió la oportunidad para recuperar el tiempo perdido.

Chispas
Las mejoras y refacciones realizadas en el acelerador luego de 2007, con financiamiento de la FAPESP, como la del proyecto de Roberto Ribas, recuperaron gradualmente su desempeño. Se concreto desde la instalación de un simple medidor de flujo en el compresor, que efectúa el cambio del gas, hasta cambios más radicales, como el uso de resistores para reducir las chispas en el interior del aparato. Existía una leyenda de que era muy eficiente y que el gas era totalmente cambiado luego de 40 minutos, comenta Alinka. Instalamos el medidor y descubrimos que se necesitaban siete u ocho horas para el cambio completo.

En el sistema original, pequeñas placas de metal con agujas muy cercanas a ellas, separadas por milímetros, transmitían la corriente eléctrica entre los extremos y el terminal. Pero la corriente eléctrica convertía el gas empleado en el acelerador en ácidos corrosivos, que atacaban a la corriente de carga y obstaculizaban el funcionamiento de la máquina. Conseguimos 146 mil dólares para comprar los resistores y los estamos instalando, dice Alinka. En alrededor de dos meses estará concluida la refacción.

Con el nuevo sistema, el acelerador llegará nuevamente a los 8 millones de voltios de energía. Y existe la posibilidad usarlo para certificar la calidad de circuitos electrónicos de satélite. La idea es disparar contra los circuitos un haz que simule las circunstancias que enfrentarán en el espacio, afirma Alinka.

Aun en sus peores días, el Pelletrón no dejó de generar dados. Con la reanudación de las actividades normales, se espera que se destaque en el campo de los núcleos exóticos, en el cual es uno de los pioneros, y en el análisis de colisiones de núcleos estables más livianos como el litio, que tiene tres protones.

Entre los trabajos recientes, Derberson de Sousa, alumno de maestría de Dirceu Pereira, ayudó a determinar la densidad de los isótopos litio 6 y litio 7, estables, colisionándolos contra blancos de estaño. El dato del trabajo, uno de los más importantes publicados en 2010 en Nuclear Physics A, es fundamental para prever de qué modo reacciona el núcleo en la colisión con otros átomos.
Pereira trabaja con el Pelletrón desde su instalación, en los años 1970. Trece años atrás, colaboró con Luiz Chamon, Mahir Hussein, Diógenes Galetti y Marco Antonio Ribeiro en el desarrollo de un modelo teó¬rico llamado Potencial de São Paulo, que ayuda a explicar cómo interactúan los núcleos atómicos cuando están cerca de entrar en colisión. Estamos hablando de una distancia del orden de 10-13 centímetros [un décimo de una billonésima de centímetro], explica.

En esa escala, la fuerza nuclear fuerte, que mantiene a los protones y a los neutrones unidos en el núcleo, comienza a operar. Es complejo describir de qué modo fenómenos cuánticos ligados a ella se desenvuelven en esas colisiones entre átomos. En experimentos, los físicos obtienen más datos como para poner sus  modelos en sintonía, de manera tal de que sean más fieles a la realidad.

El estudio de densidad del litio removió barreras que impedían obtener esas medidas sin ambigüedades. Permitió conciliar los resultados experimentales con los obtenidos en ciertos modelos teóricos, por ejemplo. Ésa fue una prueba más del Potencial de São Paulo. El modelo ha sobrevivido hasta ahora. Pero, quién sabe qué sucederá en el próximo experimento del Pelletrón.

Los proyectos
1. Del origen de los elementos a las aplicaciones tecnológicas: explorando la naturaleza de los átomos acelerados (nº 2005/04719-3); Modalidad Proyecto Temático; Coordinador Roberto Ribas IF/USP; Inversión R$ 543.834,76 + US$ 313.349,54 (FAPESP)
2. Estudio de núcleos exóticos con haces radioactivos producidos en el Pelletrón-Linac (nº 2003/10099-2); Modalidad Proyecto Temático Programa Núcleos de Excelencia (Pronex); Coordinadora Alinka Lépine-Szily IF/USP; Inversión R$ 418.392,64 (FAPESP/CNPq)
3. Estudio de propiedades nucleares con haces de núcleos exóticos (nº 2001/06676-9); Modalidad Proyecto Temático;Coordinador Rubens Lichtenthäler Filho IF/USP; Inversión R$ 474.927,53 (FAPESP)
4. Estudio de fenómenos nucleares con núcleos estables y exóticos (nº 1998/14946-1); Modalidad Programa Equipos Multiusuarios; Coordinador Dirceu Pereira IF/USP; Inversión R$ 2.490.621,88 (FAPESP)

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