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Aunque pueda sonar chocante, la física nuclear no es solo un asunto relacionado con la energía o las bombas atómicas: está detrás de tecnologías que usamos cotidianamente sin notarlo. Pero ¿podemos hacer cálculos de esas reacciones nucleares del día a día? Gracias a herramientas como Theo4Exp, hacer cálculos avanzados de física nuclear puede resultar mucho más sencillo de lo que imaginamos.
El núcleo atómico
Tras la confirmación de su existencia en 1911, gracias al experimento de Ernest Rutherford, la investigación del núcleo atómico vivió una etapa de avances vertiginosos durante la primera mitad del siglo XX. Se abrió un mundo hasta entonces desconocido.
Los propios investigadores de la época no sabían hasta donde podían llegar, como se muestra en la película Oppenheimer (Christopher Nolan, 2023). En esta, podemos ver cómo Robert Oppenheimer, junto a un nutrido equipo de investigadores, cambia el rumbo de la historia durante la Segunda Guerra Mundial gracias al desarrollo de la bomba atómica, en 1945. Aunque la bomba atómica lo que realmente libera es energía nuclear, mucho más intensa que la atómica.
Su uso en el día a día
La investigación en física nuclear abarca mucho más que el ámbito militar. Se utiliza en nuestro día a día para proporcionarnos electricidad, para el tratamiento del cáncer con radioterapia así como para su diagnóstico usando radiofármacos, para el estudio de obras de arte (incluyendo la datación por carbono-14), etc.
Pero hay algo más que le debemos al núcleo atómico. Se trata de nuestra mayor fuente de energía diaria, el Sol, que nos envía energía gracias a las reacciones nucleares de fusión (unión de dos núcleos para formar otro más pesado) que se producen continuamente en su interior.
Comportamientos por estudiar
Alguien puede pensar que a estas alturas ya está todo dicho sobre el núcleo atómico. Pero lo cierto es que hay muchos núcleos poco conocidos que tienen estructuras exóticas, que pueden romperse fácilmente o transferir parte de sus componentes (protones y neutrones) a otro núcleo, al chocar con él. La investigación básica para conocer las propiedades de estos núcleos atípicos es relevante para poder llegar a aplicaciones en nuestra vida cotidiana.
Muchos de los avances de la física nuclear se llevan a cabo en grandes instalaciones especializadas que cuentan con aceleradores de partículas, reactores, detectores e instrumentación especializada. En ellas, se realizan experimentos que permitan aprender sobre la estructura de los núcleos y cómo se comportan si los hacemos chocar entre ellos.
Pero ¿y si para estudiar el comportamiento de los núcleos atómicos no hiciera falta hacer pruebas reales y el resultado pudiera simularse de forma sencilla en un ordenador? ¿Avanzaría la física más rápido?
La física nuclear como ciencia abierta
Ahí es donde nace Theo4Exp, una plataforma de acceso virtual desarrollada dentro de un proyecto con financiación de la Comisión Europea que permite que cualquier persona con nociones básicas de física pueda realizar cálculos.
Para ello es necesario introducir (o elegir) los datos del problema en una interfaz amigable, que convertirá esos datos en un fichero de entrada del programa, hará el cálculo y le devolverá los resultados. Estos se podrán ver en ficheros de texto o gráficamente en la misma plataforma. El usuario no tendrá que preocuparse de todo el proceso intermedio, sólo decidir de qué núcleo quiere ver la estructura o qué par de núcleos quiere hacer chocar.
Theo4Exp se compone de tres plataformas: dos de ellas están dedicadas a cálculos de estructura y una a reacciones nucleares. MeanField4Exp, hospedada en IFJ PAN en Cracovia, y Structure4Exp, hospedada en la Universidad de Milán, se complementan entre ellas, ofreciendo una gran variedad de modelos sobre la estructura nuclear.
Mientras, la plataforma Reaction4Exp, hospedada en la Universidad de Sevilla, permite realizar cálculos de reacciones nucleares que estiman la probabilidad de que, tras el choque, el núcleo que hemos lanzado –el proyectil– pueda estar en diferentes situaciones. Concretamente estar igual, haber pasado a un estado de más energía, haberse roto en diferentes fragmentos o haber transferido parte de él al núcleo con el que choca.
¿Quién usa esta plataforma?
Es ahora cuando nuestro lector se pregunta: ¿quién usa realmente estos cálculos y con qué propósito? Para empezar, antes de hacer un experimento de física nuclear en una gran instalación es necesario tener estimaciones previas sobre su viabilidad y cuáles podrían ser los resultados. Por otro lado, tras el experimento, esta plataforma es útil para el estudio de los datos en comparación con modelos teóricos. O para realizar cálculos más avanzados a medida que la investigación los vaya requiriendo.
En ciencia básica, estos cálculos pueden servir para estudiar la estructura de un núcleo y su comportamiento. Y también para simular procesos nucleares en las estrellas. Sin embargo, su fin último es el desarrollo de tecnología nuclear.
Otro uso de Theo4Exp es la formación en los estudios de máster de los futuros investigadores que realizarán experimentos en las instalaciones de física nuclear.
¿Puedo entonces jugar a ser un científico nuclear?
Se ha mencionado más arriba que la energía nuclear es mucho más intensa que la atómica. ¿Por qué razón? Si la manera que tienen de interactuar entre sí los componentes del núcleo atómico, neutrones y protones fuera la bien conocida fuerza eléctrica, la energía que se liberaría al romper un núcleo sería aproximadamente igual que al romper un átomo –por romper un átomo se debe entender separar el núcleo atómico de los electrones que andan alrededor del mismo–. Además, la fuerza eléctrica dentro del núcleo es repulsiva porque solo hay cargas positivas, los protones.
Entonces, ¿cómo se mantienen los componentes del núcleo unidos? Tiene que existir otra fuerza atractiva, es decir, que los una y no los separe. Y necesariamente debe ser más potente que la eléctrica.
Experimento para principiantes
¿Cómo podemos comprobar de una manera relativamente sencilla que existe esa fuerza de unión y que es muy intensa? Pues hagamos chocar dos núcleos atómicos, un núcleo de helio-4 (esto quiere decir 2 protones y 2 neutrones) y un núcleo de plomo-208 (82 protones y 126 neutrones). Alguien, un físico nuclear o más bien un grupo de ellos, realiza ese experimento en un gran acelerador lanzando el proyectil con una energía de 40 megaelectronvoltios (MeV) y mide la probabilidad de que ambos núcleos salgan después del choque intactos. También pueden medir cuánto se desvía el núcleo más pequeño, helio-4, de su línea incidente. Eso implica medir un ángulo y la probabilidad para cada ángulo, lo que se conoce como dispersión elástica.
Nosotros podemos acudir a la plataforma Reaction4Exp y clicar en elastic scattering. Escogemos nuestro proyectil –helio-4–, nuestro blanco –plomo-208–, la energía a la que lanzamos el proyectil –40 MeV– y el tipo de interacción entre ellos. Tomemos primero sólo la interacción eléctrica y hacemos el cálculo. En unos segundos tenemos el resultado y, si colocamos juntos el cálculo y los datos experimentales, resulta que no casan.
Modelemos ahora una interacción atractiva y mucho más intensa que la eléctrica, solo cuando los núcleos estén cerca. Volvemos a calcular, ahora con la suma de estas dos interacciones y, ¡sorpresa!, experimento y cálculo coinciden. Podríamos decir que hemos hecho ciencia y hemos comprobado que existe una fuerza atractiva entre protones y neutrones que es más fuerte que la eléctrica.
La física nuclear hoy en día, como la mayoría de disciplinas científicas, se orienta hacia una ciencia abierta en la que todos los resultados y avances puedan ser consultados y reproducidos. En ese sentido, el desarrollo de plataformas de acceso virtual que faciliten información, cálculos y resultados está convirtiéndose en una puerta de entrada a un conocimiento más colaborativo y global.
Manuela Rodríguez Gallardo, Profesora Tiular de Universidad en Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla y Carla Tatiana Muñoz Chimbo, Investigadora FIUS en Física Atómica Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el original.