El humilde neutr¨®n que ayudar¨¢ a desvelar algunos de los mayores misterios del universo

Aparte de los vagos recuerdos que haya podido rescatar la aclamada serie Breaking Bad, probablemente muchos hemos olvidado alegremente lo que aprendimos en clase de qu¨ªmica en nuestros tiempos de estudiantes.

Hagamos un breve repaso: la qu¨ªmica se centra en los componentes con los que se construye nuestro mundo f¨ªsico, como los ¨¢tomos, y los cambios que se producen en ellos. Los ¨¢tomos constan de un n¨²cleo de protones y neutrones rodeado de una nube de electrones.

Pasemos ahora a algo que quiz¨¢s no nos ense?aron en el instituto: si se manipula adecuadamente, el humilde neutr¨®n, que se encuentra en el n¨²cleo de todos los ¨¢tomos salvo el de hidr¨®geno, puede aportar informaci¨®n clave en muchos ¨¢mbitos, como la crisis clim¨¢tica, la energ¨ªa, la salud o la computaci¨®n cu¨¢ntica.

Una de las formas de conseguirlo nos la proporciona la espalaci¨®n, un proceso bastante espectacular en el que part¨ªculas de alta energ¨ªa desestabilizan el n¨²cleo de un ¨¢tomo, que a su vez libera algunos de los neutrones que alberga. Estos neutrones liberados pueden emplearse como si fuesen rayos?X para caracterizar la estructura interna de los materiales.

La Fuente Europea de Espalaci¨®n?(ESS por sus siglas en ingl¨¦s, European Spallation Source) que se est¨¢ construyendo en Lund (Suecia) entrar¨¢ en funcionamiento en 2027. Cuando alcance plenamente sus especificaciones, su flujo y rango espectral sin precedentes la convertir¨¢n en la fuente m¨¢s potente y vers¨¢til de neutrones con fines cient¨ªficos de todo el mundo.

En palabras del responsable de innovaci¨®n e industria de la EES, Jimmy Binderup Andersen, el objetivo de esta instalaci¨®n es ¡°crear neutrones, un haz de neutrones, para emplearlo con fines cient¨ªficos¡±. Cuando la EES est¨¦ operativa, los cient¨ªficos europeos y del resto del mundo podr¨¢n utilizar sus quince l¨ªneas de haces diferentes para llevar a cabo iniciativas de investigaci¨®n cient¨ªfica b¨¢sica.

No son rayos?X

Seg¨²n explica Andersen, un haz de neutrones ¡°no es lo mismo que los rayos?X, pero s¨ª es complementario y ambos se basan en ciertas leyes f¨ªsicas¡±. Al igual que los rayos?X, los neutrones pueden emplearse para estudiar materiales y sistemas biol¨®gicos. No obstante, interact¨²an con los materiales de distinta forma que los fotones de alta energ¨ªa de los rayos?X y, por tanto, ofrecen distintos tipos de informaci¨®n sobre sus objetivos.

As¨ª, los haces de neutrones pueden aportar informaci¨®n sobre las din¨¢micas internas de las bater¨ªas de ion-litio, revelar detalles antes insondables sobre artefactos antiguos o esclarecer los mecanismos de la resistencia de las bacterias a los antibi¨®ticos. Asimismo, pueden destinarse al estudio de la f¨ªsica fundamental. M¨¢s bien cabr¨ªa preguntarse, ?qu¨¦ no pueden hacer?.

Bombardeos de neutrones

En el marco del proyecto BrightnESS-2, del cual Andersen coordina una parte, se han desarrollado una serie de tecnolog¨ªas para la ESS que se han puesto a disposici¨®n de la industria europea y que beneficiar¨¢n a la sociedad en su conjunto. Por ejemplo, algunos de los sistemas de alimentaci¨®n desarrollados para las l¨ªneas de haces de la ESS podr¨ªan aplicarse a tecnolog¨ªas de energ¨ªas renovables como los aerogeneradores.

Recientemente, un fabricante europeo de semiconductores se puso en contacto con la ESS para interesarse por los campos de radiaci¨®n que puede generar la fuente de neutrones. El mundo en el que vivimos est¨¢ sometido a un constante bombardeo de neutrones que se genera cuando las part¨ªculas de alta energ¨ªa procedentes del espacio exterior, como los rayos c¨®smicos del Sol, impactan con la atm¨®sfera terrestre. Con el tiempo, esta exposici¨®n puede da?ar los componentes el¨¦ctricos.

La ESS puede simular este bombardeo de neutrones, pero a una escala temporal mucho mayor, lo que permite realizar ensayos de durabilidad de componentes el¨¦ctricos de importancia cr¨ªtica, como los que se utilizan en aviones, aerogeneradores y veh¨ªculos espaciales.

La Fuente Europea de Espalaci¨®n ha unido fuerzas con otros institutos de investigaci¨®n y empresas para identificar posibles usos futuros de una instalaci¨®n como esta y abordar as¨ª este tipo de necesidades espec¨ªficas de la industria.

ESS 2.0

A pesar de que la ESS est¨¢ a¨²n en construcci¨®n, la comunidad cient¨ªfica ya estudia c¨®mo mejorarla. Cuando se inaugure, dispondr¨¢ de un moderador, pero el proyecto financiado con fondos de la UE?HighNESS?est¨¢ desarrollando un segundo sistema moderador. Estos sistemas ralentizar¨¢n los neutrones generados durante el proceso de espalaci¨®n para adaptar su nivel de energ¨ªa a las necesidades de los instrumentos cient¨ªficos.

¡°La energ¨ªa de los neutrones es tremendamente importante en una instalaci¨®n de generaci¨®n de neutrones, ya que de ella depende que se puedan llevar a cabo unos u otros procesos f¨ªsicos¡±, explic¨® Valentina Santoro, coordinadora del proyecto HighNESS.

Aunque el primer moderador ofrecer¨¢ un alto nivel de brillo, esto es, un haz de neutrones muy concentrado, la fuente que est¨¢ desarrollando el proyecto HighNESS proporcionar¨¢ una elevada intensidad o, dicho de otro modo, un gran n¨²mero de neutrones.

Los dos moderadores permitir¨¢n a los cient¨ªficos estudiar distintos aspectos de las din¨¢micas y la estructura de materiales como pol¨ªmeros, biomol¨¦culas, metales l¨ªquidos y bater¨ªas.

Un misterio fundamental

El segundo moderador permitir¨¢ adem¨¢s explorar la f¨ªsica fundamental y tratar de ver por vez primera a un neutr¨®n convertirse en un antineutr¨®n. ¡°Se trata de algo muy interesante, ya que supone observar un fen¨®meno en virtud del cual la materia se convierte en antimateria¡±, coment¨® Santoro, f¨ªsica de part¨ªculas de la ESS. Y a?ade: ¡°Observar este fen¨®meno nos permitir¨¢ desentra?ar uno de los mayores misterios sin resolver: ?por qu¨¦ hay m¨¢s materia que antimateria en el universo?¡±.

Seg¨²n explic¨® Santoro, este experimento solo puede llevarse a cabo en la ESS, dado que se precisa un enorme n¨²mero de neutrones y esta instalaci¨®n ser¨¢ la que m¨¢s produzca en todo el mundo. ¡°Un solo neutr¨®n que se convierta en antineutr¨®n es suficiente para descubrir el proceso por el cual la materia se convierte en antimateria¡±, afirm¨® Santoro.

La investigaci¨®n descrita en este art¨ªculo ha sido financiada con fondos de la UE. Art¨ªculo publicado originalmente en Horizon, la Revista de Investigaci¨®n e Innovaci¨®n de la Uni¨®n Europea.

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