En el proyecto conjunto ELEMENTS de la Universidad Goethe, la Universidad Técnica de Darmstadt, la Universidad de Giessen y el Centro Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados (GSI), teoría y experimentación se dan la mano para comprender la estructura de la materia en condiciones extremas. De este modo, queda claro por qué, por ejemplo, las colisiones de estrellas de neutrones han producido muchos de los elementos pesados de nuestro planeta.

Quien quiera estudiar el origen de los elementos debe estar preparado para los superlativos. Pues sólo los elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, surgieron del Big Bang. Para crear toda la materia de la que están hechos planetas como la Tierra y nosotros mismos, estos núcleos atómicos ligeros tuvieron primero que fusionarse sucesivamente para formar elementos más pesados. Cuanto más pesados son los elementos, más extremas son las condiciones necesarias: ¿Quién habría pensado, viendo su anillo dorado, que este material es el remanente de la colisión de una estrella de neutrones? En el proyecto ELEMENTS cluster, los investigadores quieren estudiar la materia precisamente en esas condiciones extremas. Mediante experimentos en aceleradores de partículas y la comparación con datos cósmicos, quieren llegar al fondo del origen de los elementos y su comportamiento en los llamados procesos cósmicos cataclísmicos, es decir, procesos que van acompañados de una destrucción repentina (del griego kataklysmos).

El proceso de cómo se formaron los elementos en el curso de la evolución cósmica se denomina nucleosíntesis. En él intervienen toda una serie de procesos: desde la fusión nuclear en el interior de estrellas como nuestro sol, pasando por las explosiones de supernovas, hasta las colisiones de estrellas de neutrones. En la actualidad se conocen bien los primeros pasos de este proceso: la fusión nuclear del hidrógeno en helio y, a continuación, en carbono, oxígeno, hierro y otros elementos intermedios. Estos elementos se forman esencialmente por procesos de fusión en las estrellas, donde las estrellas ligeras sólo pueden producir elementos ligeros, mientras que las estrellas pesadas también producen elementos más pesados hasta el tamaño del hierro y el níquel.

Investigadores de nueve países contribuyeron a la construcción del detector HADES en el Centro Helmholz para la Investigación de Iones Pesados del GSI, visto aquí desde atrás. Los elementos del detector, dispuestos como paraguas, captan las lluvias de partículas que se producen como resultado de la colisión de núcleos atómicos pesados | foto Jan Hosan / Goethe Universität

Formación de los elementos pesados

Pero la formación de elementos pesados como el oro, el plomo y el uranio plantea muchos interrogantes: ¿Qué condiciones deben darse para que núcleos atómicos tan pesados sigan creciendo? La fusión alcanza sus límites en algún momento, afirma Hannah Elfner, que trabaja como profesora de física nuclear teórica en la Universidad Goethe, así como en el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados del GSI en Darmstadt y participa en ELEMENTS. Cuanto más pesado es un núcleo atómico, mayor es su carga eléctrica. Como los núcleos atómicos son increíblemente pequeños, hay campos eléctricos muy fuertes cerca del núcleo que repelen a otros núcleos atómicos. Ni siquiera las altas temperaturas del centro de las estrellas son suficientes para que los núcleos atómicos tan pesados se fusionen. En la Tierra, por ejemplo, las altas temperaturas necesarias son un obstáculo para la realización de reactores de fusión como el ITER, aunque allí sólo se fusione hidrógeno.

Por tanto, los elementos muy pesados no se crean por fusión nuclear, sino por acumulación de neutrones, que son eléctricamente neutros y, por tanto, no son repelidos por los núcleos atómicos, explica Elfner. Ahora bien, los neutrones que vuelan libremente no son estables, sino que decaen si no son capturados por los núcleos atómicos. Para crear núcleos atómicos pesados se necesita una gran cantidad de neutrones. Tantos neutrones sólo se liberan en procesos cósmicos extremos, explica Elfner. En primer lugar, se trata de explosiones de supernovas en las que se destruyen estrellas enteras. Según el tipo de supernova, el resultado final puede ser un agujero negro, una estrella de neutrones o nada más que una nube de gas caliente en expansión. Si las estrellas de neutrones colisionan, se crean condiciones aún más extremas que las de una supernova. Los elementos más pesados surgen de estas explosiones gigantescas, en las que incluso el espacio y el tiempo se tambalean tanto que estas colisiones pueden detectarse con los llamados detectores de ondas gravitacionales. Esto se consiguió por fin hace unos años y fue reconocido con el Premio Nobel.

Las estrellas de neutrones son especialmente apasionantes para la astrofísica y la física nuclear actuales porque están formadas por materia nuclear pura y porque son increíblemente densas, afirma Tetyana Galatyuk, que también participa en ELEMENTS como profesora de física experimental de partículas en la Universidad Técnica de Darmstadt. ElPero nos interesan menos las ondas gravitacionales que se liberan cuando chocan dos objetos de este tipo. Nos preocupa más la cuestión de cómo se comporta la materia nuclear en estas condiciones.

Estallido de núcleos atómicos

Los núcleos atómicos están sometidos a fuerzas enormes. Un núcleo atómico es diminuto en comparación con su envoltura de electrones y aproximadamente 100.000 veces más pequeño. Los neutrones y los protones cargados positivamente se agolpan en este pequeño espacio. Y en ELEMENTS queremos ver qué ocurre cuando comprimimos y calentamos aún más esta materia nuclear, explica Galatyuk. Para ello, disparamos núcleos atómicos pesados unos contra otros en aceleradores de partículas, como aquí en el GSI o también en el CERN y Brookhaven, en Estados Unidos, y analizamos las colisiones. Los grandes detectores hacen visibles las huellas dejadas por estas colisiones de núcleos atómicos.

En muy poco tiempo tienen lugar procesos muy complejos que requieren un análisis complejo. Tales acontecimientos ya no pueden calcularse simplemente a partir de las leyes conocidas de la naturaleza, afirma Elfner. Los núcleos atómicos estallan, se mezclan e incluso pueden asumir nuevos estados de la materia. Para interpretar los datos de tales experimentos, los teóricos tenemos que trabajar con modelos y simulaciones.

Nada funciona aquí sin una estrecha cooperación entre el experimento y la teoría: sólo los análisis elaborados permiten encontrar en la multitud de pistas de los detectores los sucesos interesantes que aportan nuevos conocimientos sobre la materia nuclear. Cuando disparamos unos contra otros núcleos atómicos pesados, como los de plomo u oro, puede formarse allí un nuevo tipo de estado de la materia, el llamado plasma de quark-gluón, explica Galatyuk. En este proceso, los protones y neutrones de los núcleos atómicos estallan, por así decirlo, y sus componentes elementales, los quarks y los gluones, vuelan libremente durante un minúsculo instante antes de reunirse para formar partículas nucleares.

Colisión de los núcleos pesados: cerca de la velocidad de la luz, los núcleos atómicos ya no son esféricos sino alargados (azul y rojo, izquierda). La colisión forma una bola de fuego en la que se forma una «sopa» de partículas elementales durante una ínfima fracción de segundo, el plasma de quarks y gluones. Con la expansión, los quarks y los gluones se unen de nuevo para formar bloques de construcción nucleares, los hadrones (derecha) | foto Petersen Bernhard / Goethe Universität

Nueva York como un terrón de azúcar

Durante estas colisiones se alcanzan temperaturas de alrededor de un billón de grados, es decir, 100.000 veces más que en el centro del Sol, explica Galatyuk. En el proceso, la materia nuclear, ya de por sí extremadamente densa, se aprieta de nuevo entre tres y cinco veces y alcanza una densidad gigantesca de unos 280 millones de toneladas por centímetro cúbico. Eso es como comprimir toda la ciudad de Nueva York con todos sus edificios en un terrón de azúcar.

Sin embargo, una bola de fuego tan ultracaliente, como la producida por la colisión de núcleos atómicos pesados, sólo existe durante un tiempo extremadamente corto. Tras menos de una milmillonésima de milmillonésima de segundo, ya ha vuelto a decaer. En este breve lapso de tiempo, los numerosos quarks y gluones de esta bola de fuego pueden producir una docena de colisiones mutuas, lo que da lugar a una señal muy compleja en el detector, explica Elfner.

Sin embargo, los investigadores se benefician aquí de un efecto bienvenido: en raras ocasiones, se genera una partícula luminosa de muy alta energía en medio de la bola de fuego caliente, que luego convierte su energía en un par de electrón y positrón, la antipartícula del electrón. El electrón y el positrón no interactúan con los quarks y los gluones de la bola de fuego, por lo que pueden transmitir al exterior información sobre su interior.

La bola de fuego en HADES

Podemos utilizar estos pares electrón-positrón para obtener imágenes de ‘rayos X’ de la bola de fuego, por así decirlo, porque pueden penetrarla bien, de forma muy parecida a como los rayos X pueden penetrar en el cuerpo humano, explica Galatyuk. Así que una parte importante de mi trabajo consiste en desarrollar métodos y componentes detectores que puedan detectar y evaluar lo mejor posible estos pares electrón-positrón.

De momento, la física nuclear sigue utilizando el detector HADES (High Acceptance Di-Electron Spectrometer), que lleva haciendo su trabajo en el GSI desde 2002. En el nuevo centro acelerador FAIR, que se está construyendo en Darmstadt, el detector CBM (Compressed Baryonic Matter), actualmente en construcción, continuará esta tarea. Hasta ahora hemos acelerado núcleos de oro, por ejemplo, al 90% de la velocidad de la luz; en FAIR se alcanzará hasta el 99% de la velocidad de la luz, afirma Galatyuk.

Y ésta es sólo una cara de la moneda: en la nueva instalación habrá muchas más colisiones. Esto también significa que el nuevo detector tendrá que registrar datos unas 500 veces más rápido que el antiguo. Las series de pruebas que antes tardaban un mes podrán realizarse ahora en la pausa del almuerzo. Esto abre multitud de posibilidades y permite albergar la esperanza de poder detectar con mayor rapidez efectos poco frecuentes, en particular, con estadísticas convincentes. Sin embargo, con el aumento de la tasa de colisiones, las señales de los componentes electrónicos también tienen que leerse y almacenarse mucho más rápido, explica Galatyuk. Aquí estableceremos estándares récord en todo el mundo.

De los átomos a las estrellas

El equipo de Darmstadt ya ha probado algunos de los componentes del detector en el acelerador de Brookhaven. Tras el viaje en contenedor a través del Atlántico, los nuevos componentes han funcionado bien en la instalación de allí y, según los deseos de los colegas estadounidenses, incluso pueden permanecer allí mientras se trabaja en nuevos desarrollos en el GSI.

Una vez que la instalación funcione como es debido, es de esperar que se cumplan los deseos más insólitos de la comunidad científica. Nos gustaría saber si la materia nuclear experimenta el mismo tipo de transiciones de fase que conocemos en el agua, por ejemplo, dice Elfner. En la transición del hielo al agua o del agua al vapor, la temperatura no cambia mientras se añade energía. Esta energía adicional se pone en la transformación del estado de agregación. Se sospecha que esto se comporta de forma similar con la materia nuclear, afirma Elfner. Para determinarlo, los teóricos necesitan nuevos datos, como imágenes de rayos X electrón-positrón del corazón de las diminutas bolas de fuego. Pero no sólo esto, sino también la creación de partículas exóticas y la investigación de precisión de fenómenos conocidos forman parte del programa de investigación.

En nuestro trabajo, siempre es fascinante ver cómo la física de lo más pequeño, la física nuclear y de partículas subatómicas, se relaciona con fenómenos cósmicos como las estrellas de neutrones, las supernovas y la nucleosíntesis, resume Elfner. Y sin una cooperación muy estrecha entre todos los implicados en la teoría y el experimento, nada funciona hoy en día.

Fuentes

Dirk Eidemüller, Materie am Limit (Goethe Universität, Frankfurt am Main)

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