Un experimento responde a una pregunta que desde hacía décadas intrigaba a los físicos: cómo y cuándo comienzan a girar los fragmentos resultantes de un proceso de fisión.

Por Charles Q. Choi

Hacía más de 40 años que un misterio subatómico desconcertaba a los físicos: ¿por qué, cuando un núcleo atómico se divide, los fragmentos resultantes emergen girando? Ahora, un nuevo trabajo ha hallado que el origen de este intrigante fenómeno podría hallarse en un mecanismo similar al que tiene lugar cuando se rompe una goma elástica.

Para entender por qué este fenómeno resulta tan extraño, piense en una pila muy alta de monedas. Una torre así será inestable, por lo que a nadie le sorprendería que acabara derrumbándose. Sin embargo, lo que nadie esperaría ver es que, al caer al suelo, todas las monedas comenzaran a girar.

Al igual que la pila de monedas, los núcleos atómicos con un gran número de protones y neutrones son también inestables. Pero, en lugar de derrumbarse, son propensos a dividirse en otros núcleos menores, un proceso conocido como fisión nuclear. Sin embargo, esos fragmentos salen girando, lo que resulta especialmente asombroso cuando el núcleo que se dividió no estaba girando en un primer momento. Y, al igual que no esperaríamos que un objeto sobre el que no actúa ninguna fuerza comenzara a moverse, tampoco esperaríamos que un objeto sobre el que no actúa ningún momento de giro empezara a rotar, ya que a primera vista eso parecería una violación de la ley de conservación del momento angular.

Dicho proceso «hace que parezca que algo se ha creado de la nada», afirma Jonathan Wilson, físico nuclear del Laboratorio Irene Joliot-Curie de la Universidad de París-Saclay y autor principal del nuevo trabajo, en el que también han participado investigadores del Instituto de Física Corpuscular de Valencia y la Universidad Complutense de Madrid, entre otras instituciones. «Con ello la naturaleza nos muestra un alarde de prestidigitación: comenzamos con un objeto que no gira, pero que, cuando se divide, expulsa fragmentos que sí lo hacen. Aunque, por supuesto, el momento angular debe seguir conservándose», continúa el experto.

Los físicos saben desde hace tiempo que el proceso de fisión nuclear comienza cuando un núcleo adopta una forma que lo hace inestable debido a la repulsión entre protones. Dado que estas partículas están dotadas de carga positiva, tienden a alejarse unas de otras. Y a medida que un núcleo adopta una forma cada vez más alargada, comienzan a emerger dos fragmentos entre los cuales se forma un cuello de botella. Cuando el núcleo acaba por desintegrarse, esos trozos se separan con rapidez y el cuello se rompe, un proceso conocido como escisión.

En las últimas décadas, los físicos han propuesto cerca de una docena de teorías para explicar por qué los fragmentos resultantes salen girando, apunta Wilson. Tales explicaciones caen en dos grandes clases. Unas apuntan a que el momento angular se genera antes de la escisión debido al retorcimiento y la torsión que, antes de que el núcleo se divida, producen las partículas que lo componen debido a las excitaciones térmicas, las fluctuaciones cuánticas, o ambas. Por su parte, otra serie de teorías postulan que el momento angular aparece después de la escisión debido a fuerzas como la repulsión entre los protones de los fragmentos. Sin embargo, «los resultados de los experimentos que han evaluado estas posibilidades eran contradictorios entre sí», añade Wilson.

Ahora, Wilson y sus colaboradores han determinado de forma concluyente que el espín se genera después de la división del núcleo. «Los nuevos datos son maravillosos», opina George Bertsch, físico nuclear de la Universidad de Washington en Seattle que no participó en la investigación. «Es realmente un avance importante en nuestra comprensión de la fisión nuclear». Los resultados del estudio se publican en Nature.

En su trabajo, los autores examinaron los núcleos resultantes de la fisión de varios isótopos inestables: torio-232, uranio-238 y californio-252. En particular, analizaron los rayos gamma emitidos en el proceso de fisión, los cuales contienen información sobre el momento angular de los fragmentos.

Si el giro apareciese debido a algún efecto anterior a la escisión, cabría esperar que los dos fragmentos tuvieran espines de igual magnitud pero sentido opuesto. «Esto no es lo que observamos», afirma Wilson. En su lugar, cada fragmento parece girar de manera independiente, tal y como han observado los investigadores en todos los núcleos examinados, fuese cual fuese el isótopo.

Los físicos creen que, cuando un núcleo se alarga y se divide, sus restos comienzan pareciéndose a gotas. Cada uno de ellos posee una cualidad similar a la tensión superficial, la cual les impulsa a reducir su superficie y a adoptar una forma esférica más estable, de manera similar a lo que ocurre con una pompa de jabón, explica Wilson. La liberación de esa energía hace que los restos se calienten y giren: algo parecido a lo que ocurriría con una goma elástica que hemos estirado hasta el punto de ruptura y que, como resultado, da lugar a fragmentos que se agitan de forma caótica.

Wilson añade que esta imagen se complica porque cada fragmento nuclear no se parece a un trozo de goma uniforme, sino más bien a un saco lleno de abejas zumbando, dado que las partículas que lo compone se agitan y a menudo colisionan entre sí. «Son como dos enjambres en miniatura que se separan y comienzan a hacer sus propias cosas», ejemplifica.

«Estos hallazgos apoyan con firmeza la idea de que es la forma de los núcleos en el momento en que se separan lo que determina su energía y las propiedades de los fragmentos», indica Bertsch. «Se trata de un avance importante para lograr que la teoría de la fisión nuclear sea más predictiva y nos permita analizar con más confianza cómo genera los distintos elementos», añade el experto.

Una razón por la que Wilson cree que los estudios previos no habían conseguido deducir el origen del fenómeno es porque no contaban con las ventajas de los detectores modernos de ultraalta resolución ni con los métodos actuales de análisis computarizado de datos. Además, los trabajos anteriores solían centrarse en explorar la exótica estructura de los núcleos superpesados y ricos en neutrones, a fin de comprobar hasta qué punto la teoría nuclear estándar podía explicar esos casos tan inusuales. Y gran parte de esos estudios habían renunciado a recopilar y analizar la enorme cantidad de datos necesarios para investigar el momento angular de los fragmentos nucleares. En cambio, el nuevo trabajo se ha centrado explícitamente en examinar esos detalles. «Para mí, lo más sorprendente de la medición es que haya podido llevarse a cabo y haya arrojado resultados tan claros», expone Bertsch.

Wilson advierte que se aún queda trabajo por delante para determinar con exactitud cómo se genera el espín tras la escisión del núcleo. «Sin duda, nuestra teoría es simplista», reconoce. «Puede explicar alrededor del 85 por ciento de las variaciones que vemos en el momento angular en función de la masa. Pero está claro que una teoría mejor podría hacer predicciones más precisas. Es un punto de partida; es lo único que afirmamos». El investigador añade que un grupo del Centro Común de Investigación (JRC) de la Unión Europea en Geel (Bélgica) ha confirmado sus observaciones por medio de una técnica diferente y que sus resultados también deberían publicarse en breve.

Estos hallazgos no solo podrían resolver un misterio de décadas de antigüedad, sino contribuir al diseño de mejores reactores nucleares. En concreto, podrían ayudar a entender la naturaleza de los rayos gamma emitidos por los fragmentos nucleares durante la fisión, los cuales pueden calentar el núcleo del reactor y los materiales circundantes. Hoy en día, estos efectos de calentamiento no se conocen bien, sobre todo en lo referente a su variación entre los distintos sistemas de energía nuclear.

«Hay hasta un 30 por ciento de discrepancia entre los modelos y los datos sobre estos efectos de calentamiento», indica Wilson. «Nuestros hallazgos no son más que una parte de la imagen global que nos gustaría tener para poder simular futuros reactores; aún necesitamos la imagen completa».

Asimismo, estos trabajos podrían ayudar a entender qué elementos superpesados pueden sintetizarse en el laboratorio y, con ello, profundizar en la aún turbia estructura de la materia nuclear. «En teoría deberían existir unos 7000 núcleos atómicos, pero en el laboratorio solo somos capaces de crear unos 4.000», explica Wilson. «Entender cómo se genera el espín en los fragmentos de fisión puede ayudarnos a deducir a qué estados nucleares podemos acceder».

Entre otros aspectos, los trabajos futuros podrían explorar qué sucede cuando se induce una reacción de fisión mediante el bombardeo de fotones o partículas con carga eléctrica. Wilson indica que, en tales casos, la energía aportada podría influir en el momento angular de los fragmentos antes de que se produzca la fisión.

«Aunque la fisión se descubrió hace 80 años, es tan compleja que hoy en día seguimos viendo resultados interesantes», observa Wilson. «Su historia no está completa, aún nos quedan muchos más experimentos por hacer».

Referencia:
«Angular momentum generation in nuclear fission»; Jonathan N. Wilson et al en Nature, vol. 590, pág.s 566–570, 24 de febrero de 2021.

Publicado originalmente en Investigación y Ciencia