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26 febrero 2019

La segunda vida de los neutrones

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El 27 de febrero de 1932, la revista Nature publicó una carta firmada por James Chadwick, un físico inglés de 41 años que trabajaba con el nobel de Química Ernest Rutherford en el Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge. El título mostraba cierta incertidumbre en el autor: “Possible Existence of a Neutron”.

Pocos meses después, Chadwick publicaba “The existence of a neutron” y demostraba, despojado ya de sus dudas, la existencia real de esta partícula básica, el neutrón, que junto a protones y electrones componen el átomo. Con este descubrimiento concluía, al menos de momento, una de las búsquedas más largas y complejas en la historia de la ciencia: la estructura del átomo, la esencia de la materia. En 1935, Chadwick recibió el Premio Nobel de Física.

3d illustration of a cancer cell and lymphocytes
Las fuentes de neutrones muestran los detalles más íntimos de las estructuras internas, como en esta Ilustración 3D de una célula cancerosa y linfocitos. Credito: ILL

Desde entonces los neutrones han estado asociados a la fisión nuclear, una tecnología que vive en la ambivalencia de ser imprescindible y terrible para la humanidad: con ella se genera electricidad en las centrales nucleares, a ella se le debe la capacidad de destrucción del armamento nuclear. A partir de la década de los 60, sin embargo, la especial naturaleza de los neutrones —su masa es parecida a la del protón y carecen de carga eléctrica— les permitió empezar una nueva vida con la construcción de las primeras fuentes de neutrones.

Estas tienen un propósito puramente científico: generar haces de neutrones que, al ser neutros, atraviesan imperturbables las fuerzas eléctricas que rodean a los núcleos y penetran en los materiales mostrando los detalles más íntimos de sus estructuras internas. Funcionan de forma parecida a las radiografías, pero en lugar de iluminar con rayos X, pongamos una rodilla, corrientes formadas por millones y millones de neutrones revelan la intimidad del ala de un avión, la batería de un móvil, una proteína de un virus, o el silencio de una cerámica antigua. Por las dimensiones y la complejidad de estas instalaciones, vendrían a ser microscopios gigantes.

Las instalaciones del Instituto Laue-Langevin, en Grenoble (Francia). Crédito: ILL
Las instalaciones del Instituto Laue-Langevin, en Grenoble (Francia). Crédito: ILL

El viaje del neutrón

A Helmut Schober, físico alemán y director del Instituto Laue-Langevin (ILL), la “principal fuente de neutrones del mundo” —en sus palabras—, le gusta referirse a las autopistas como metáfora de lo que ocurre cuando se hace incidir un chorro de neutrones sobre un material: “Digamos que los neutrones viajan por una autopista y cuando pones tu muestra en el haz, en la autopista, las direcciones y la velocidad de los neutrones cambian: rebotan contra los núcleos y van más lentos o se aceleran. Entonces medimos la desviación del neutrón en términos de dirección y de velocidad”, explica.

Podría interpretarse como un viaje en el que el neutrón acumula información de todo lo que ve a lo largo de su trayectoria por las capas de miles de millones de átomos que forman un material. “La dirección en la que se dispersará está determinada por todo lo que ha experimentado, cada una de las interacciones con las partículas que se ha encontrado en la autopista. Así, obtenemos información no sobre partículas individuales, sino sobre el conjunto del material”, añade Schober.

Hay dos formas de generar neutrones: en reactores nucleares o en aceleradores de partículas. Ambas son instalaciones complejísimas cuya necesidad responde a una causa sorprendentemente simple: la comodidad de los neutrones. “Los neutrones que queremos usar tratan de tener al menos un protón, o varios, como compañeros, se sienten extremadamente cómodos en un núcleo”, dice Schober. “Para aislarlos debes liberarlos de este agarre, lo que requiere esfuerzo, energía: o tienes un núcleo cerca de la inestabilidad, como el uranio 235, y lo separas mediante el proceso de fisión y produces neutrones, o usas una partícula altamente energética como un protón, la aceleras a altas energías, la disparas contra un núcleo y liberas neutrones. Es lo que se llama proceso de espalación”, concluye.  Cuando Schober habla de acelerar protones a altas energías, no bromea: estas llegan a alcanzar el 96% de la velocidad de la luz, o lo que es lo mismo, podrían dar la vuelta a la Tierra en segundos.

El Spallation Neutron Source del Oak Ridge National Laboratory. Crédito: US Department of Energy/ORNL
El Spallation Neutron Source del Oak Ridge National Laboratory. Crédito: US Department of Energy/ORNL

Las corrientes de neutrones se dirigen entonces a distintos instrumentos especializados en áreas concretas: biomedicina, ciencia de materiales, ingeniería, arte… En el ILL, con 40 instrumentos, se han analizados fármacos para bloquear una enzima responsable de la maduración del virus VIH; se estudian las células de iones de litio de coches eléctricos; el efecto de contaminantes como nanopartículas de carbono en los pulmones; los mecanismos físicos del alzhéimer… A Schober esto le recuerda a una orquesta, en la que cada instrumento tiene una función distinta. En el ISIS, una fuente de neutrones más pequeña situada en el Rutherford Appleton Laboratory en Oxford, se estudiaron los materiales de las alas del gigante aéreo Airbus A-380.

El tiempo del neutrón

La historia de las primeras fuentes de neutrones es intensamente política; el propio Chadwick pasó la Primera Guerra Mundial en un campo de internamiento cerca de Berlín acusado de espionaje. En la década de los 60, Estados Unidos, Rusia y Europa luchan por liderar el desarrollo tecnológico que tan decisivo ha sido en las guerras mundiales previas. En 1966, los estadounidenses inauguran el reactor nuclear de investigación HFIR (High Flux Isotope Reactor) en el Oak Ridge National Laboratory, en Tennessee, creado como parte del proyecto Manhattan.

Un año después, el canciller alemán Konrad Adenauer y el presidente francés Charles de Gaulle firman un acuerdo de colaboración científica con el propósito de evitar futuros conflictos bélicos entre ambos países. Este incluye la construcción de una fuente europea de neutrones que compita con el HFIR. En 1969 comienza a construirse el ILL y tres años después se lleva a cabo el primer experimento.

Europa está construyendo la Fuente Europea de Espalación (ESS) en Suecia. Crédito: ESS
Europa está construyendo la Fuente Europea de Espalación (ESS) en Suecia. Crédito: ESS

En 2006, el Oak Ridge Laboratory inauguró otra fuente de neutrones, el Spallation Neutron Source. Para mantener el liderazgo, Europa está construyendo la Fuente Europea de Espalación (ESS) en Lund (Suecia), que generará haces de neutrones 30 veces más brillantes que los existentes y tomará el relevo del ILL. Se prevé que entre en funcionamiento en 2025.

Eugenia Angulo

@eugenia_angulo

 

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