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Ciencia

Por dentro del átomo

Realizan experimentos para profundizar el conocimiento de la estructura de la materia

Fue una apuesta de alto riesgo. Esa máquina capaz de producir núcleos atómicos exóticos que son partículas inestables, que duran tan solo 1 segundo y no existen en la naturaleza aún no había sido probada. Los científicos del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) no estaban seguros de que funcionaría. Pero, aunque con cierta tensión, sintiendo un frío en el estómago, decidieron mantener la fecha del debut: el pasado día 2 de febrero.

Era el comienzo de la 13ª Escuela de Verano de Física Nuclear Experimental, y en la platea había 50 estudiantes de posgrado de nueve estados de Brasil y también de Argentina, Colombia y Cuba. “Los alumnos sabían que era la primera vez que la máquina sería puesta en funcionamiento y estaban tan curiosos como nosotros”, comenta Alinka Lépine-Szily, una de las responsables del proyecto.

Fueron algunas horas dedicadas al chequeo de los componentes de esta máquina de 7 metros de longitud, cuyas principales estructuras dos grandes cilindros horizontales parecen vagones de tren. Y algunos largos segundos, hasta que las computadoras registrasen las primeras informaciones sobre los núcleos exóticos generados en su interior. ¡Y funcionó!; y el suceso fue celebrado por todos los investigadores.

La tensión le cedió el lugar a la satisfacción. Los resultados obtenidos podrán ayudar a comprender con más detalles de qué manera surgieron los elementos químicos tanto en el comienzo del universo, minutos después del Big Bang, como durante las explosiones de estrellas supernovas, mil millones de años después. Cada explosión de una estrella genera millares de núcleos exóticos, que actúan como chispas e inducen a la formación de todos los elementos químicos estables conocidos.

El nuevo aparato, denominado Proyecto Ribras (sigla en inglés), o Haces de Iones Radioactivos de Brasil, es el único en el Hemisferio Sur existe otro bastante similar en la Universidad de Notre Dame, Estados Unidos, construido hace alrededor de diez años. El Ribras, instalado en un enorme galpón blindado, está acoplado al acelerador de partículas instalado en el instituto desde hace cerca de 30 años. En el experimento de comienzos de febrero, el acelerador generó un haz estable de litio 7, un elemento químico natural, que se chocó contra un blanco fijo de berilio 9, también estable.

La reacción nuclear produjo una serie de partículas estables e inestables que continuaron propagándose. La excepción quedó a cargo del propio litio 7, que, por ser el haz primario de partículas, fue bloqueado por un reparo llamado Cubeta de Faraday puesto delante suyo. Las otras partículas producidas en la colisión inicial, antes de que el litio se detuviese en la Cubeta de Faraday debido a sus direcciones divergentes del haz principal, escaparon de ese bloqueo y entraron en los solenoides bobinas de un metro de longitud ubicadas dentro de los cilindros e inmersas en helio líquido. Los solenoides producen un campo magnético bastante intenso, por medio del cual es posible seleccionar los núcleos exóticos que son identificados en el detector final, un cristal de silicio de 2 centímetros de diámetro.

En el experimento de estrella, los investigadores del Instituto de Física de la USP produjeron aproximadamente 10 mil partículas por segundo de helio 6 un núcleo exótico con dos protones y cuatro neutrones (el helio normal tiene dos protones y dos neutrones). De acuerdo con Alinka, ambos neutrones extras se ubicaban a distancia del núcleo formando un halo, una especie de anillo que determina un radio atómico mucho mayor que el del helio común.

Exóticos y rebeldes
Esta peculiaridad llamó la atención: los núcleos estables, incluso aquéllos de elementos químicos diferentes, tienen la misma densidad en el centro, una superficie poco difusa y contornos bien definidos. El helio 6 presentaba una extensa región comprendida entre el núcleo y el anillo, en la cual la densidad media era bastante baja, al margen de una superficie no definida. “Con los núcleos exóticos se producen situaciones que no se manifiestan en los núcleos estables. Nuestros estudios podrán confirmar la idea de que es posible encontrar materia nuclear con densidades diferentes”, afirma Rubens Lichtenthaler Filho, miembro del equipo del Ribras. “Podremos ayudar a reformular y a perfeccionar antiguos modelos sobre el núcleo atómico”, completa.

En el laboratorio, con base en los datos obtenidos, el grupo de físicos pretende detallar la formación de elementos químicos en el interior de las estrellas. En ese momento, y partiendo de los gases livianos hidrógeno, helio y litio inestables y estables, empezaron a formarse elementos más pesados como el carbono, el oxígeno y el nitrógeno. Es como si los investigadores estuvieran subiendo por una escalera cuya base está compuesta por los elementos químicos primordiales y la cúspide por los derivados más complejos.

Tan solo un segundo
Cada escalón subido hace surgir una nueva combinación de elementos que, poco a poco, hace aparecer más nítidamente el complejo escenario del universo. Curiosamente, los físicos deben actuar con bastante rapidez para entender qué ocurrió hace miles de millones de años: el tiempo de vida de las partículas exóticas generadas en el laboratorio es muy corto de tan solo un segundo. Pero eso no les preocupa. “En este caso eso es mucho tiempo; más que suficiente como para que todas las informaciones lleguen a la computadora y pueda analizárselas”, asegura Valdir Guimarães, investigador del proyecto.

La idea de construir el Ribras se originó en julio de 1995, cuando el físico teórico Mahir Saleh Hussein regresó luego de una temporada de un año y medio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y en la Universidad Harvard, Estados Unidos.

Convencido de que Brasil podría ocupar lugar destacado en los estudios sobre los núcleos exóticos, Hussein organizó un encuentro en la USP que reunió en febrero de 1997 a algunas de las mayores autoridades científicas del área, como Richard Casten, de la Universidad Yale, James Kolata, de la Universidad de Notre Dame, ambas instituciones de Estados Unidos, y Antonio Villari, físico brasileño que trabaja en el Gran Acelerador Nacional de Iones Pesados (Ganil) de Francia.

El proyecto brasileño, elaborado con la ayuda de estos expertos y por ese entonces bajo la responsabilidad de Hussein, fue aprobado ese mismo año. Los solenoides, que forman el corazón del artefacto, llegaron recién cinco años después, en abril de 2002, provenientes de Estados Unidos. Debido a que el armado llegó a término recién en diciembre de 2003, no hubo tiempo de probar la máquina antes de la apertura de la Escuela de Verano. “Resolvimos correr el riesgo y realizar el primer experimento científico tal como éste transcurre en la vida real, es decir, sujeto a aciertos y errores”, refuerza Lichtenthaler.

También durante la Escuela de Verano, que se extendió durante dos semanas entre los días 2 y 14 de febrero, el equipo de la USP provocó la colisión entre el litio 8 exótico y el vanadio 51 estable, con el propósito de analizar un fenómeno denominado dispersión elástica. Se trata de un tipo de choque entre partículas sin pérdida de energía, conocido de antemano con los núcleos estables. Con el Ribras, del mismo modo que está haciéndose en aparatos similares de Estados Unidos y Francia, pretenden observar mejor los detalles del núcleo exótico si es compacto o si es nebuloso y si tiene una superficie difusa o, al contrario, bien definida.

En este momento los investigadores de la USP, con la tranquilidad que implica el contar con una máquina que funcionó bien desde el primer día, se preparan para comparar el choque del litio 7 estable con el vanadio, para analizar si aparecen características y manifestaciones diferentes con relación a lo que sucede con el litio exótico.

Los Proyectos
The Brazilian Rib Facility Planned for the Pelletron-Linac Complex in São Paulo
Modalidad
Línea Regular de Auxilio a Proyecto de Investigación
Coordinador
Mahir Saleh Hussein IF/ USP
Inversión
R$ 1.082.150,75

Estudio de Propiedades Nucleares con Haces de Núcleos Exóticos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Rubens Lichtenthaler Filho – IF/ USP
Inversión
R$ 482.797,04

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