100 años de física nuclear: de la galleta de electrones a la sopa de quarks

"El descubrimiento de Rutherford tuvo un gran impacto y abrió una ventana a nuevas y maravillosas fuerzas, simetrías y reglas". Con esta afirmación, John Schiffer, profesor de física nuclear de la Universidad de Chicago, recordaba uno de los grandes hallazgos del siglo XX, el descubrimiento del núcleo atómico por parte del físico Ernest Rutherford, nacido en Nueva Zelanda en 1871 y considerado el padre de la física nuclear, que estableció un modelo atómico que cambió el curso de la historia y puso de manifiesto la existencia de nuevas fuerzas en la naturaleza, desconocidas hasta entonces.

La afirmación de Schiffer se produjo durante el congreso, que concluyó el viernes, que la Universidad de Manchester ha organizado para celebrar el centenario del descubrimiento. Durante dos semanas, un nutrido grupo de físicos ha rememorado este gran hallazgo y ha intercambiado opiniones sobre el futuro de una rama de la ciencia que ha sido fundamental para entender la evolución de la humanidad durante los últimos cien años.

A lo largo de este siglo, la física nuclear ha permitido la evolución de tecnologías tan dispares como las utilizadas para el diagnóstico y tratamiento médico o las que sirvieron para el desarrollo de armamento nuclear. Pero toda esta cadena de descubrimientos surgió a raíz de un modelo, el átomo de Rutherford.

Pese a que el concepto de átomo es conocido desde la Antigua Grecia, no fue hasta el siglo XIX cuando se demostró su existencia. Aún así, hasta el hallazgo de Rutherford, la comunidad científica asumía que los átomos eran una especie de cookie, donde la galleta tenía carga positiva y las pepitas de chocolate representaban las cargas negativas o electrones, que estaban distribuidas de manera uniforme.

El descubrimiento del núcleo allanó el camino de la física cuántica

Sin embargo, durante un experimento en 1911, Rutherford Nobel de Química en 1908 por trabajos previos, advirtió que sus resultados no estaban de acuerdo con esta definición. Dicho experimento consistió en bombardear una lámina de oro con cierto tipo de partículas de carga eléctrica positiva, llamadas partículas alfa. Según el modelo atómico de la galleta, estas partículas debían atravesar la lámina de oro sin apenas inmutarse. Pero el resultado mostró que algunas sufrían importantes desviaciones. Según Sean Freeman, profesor de física nuclear de la Universidad de Manchester y organizador del congreso, esto llevó a Rutherford a interpretar que "los átomos debían tener la masa concentrada en una pequeña partícula de materia, el núcleo". De esta forma, el átomo estaría compuesto por dos partes fundamentales, un núcleo muy pequeño y una corteza en la que orbitan todas las cargas negativas o electrones. El profesor Freeman recuerda la analogía que Rutherford utilizaba para explicar su modelo: "Solía decir que si el átomo fuera del tamaño de una catedral, el núcleo sería como una mosca situada en su centro".

Pese a que los resultados presentados por Rutherford, que indicaban una estructura con núcleo y electrones orbitando, parecían incontestables, el modelo no podía ser explicado con la teorías de la época. Según la física clásica, una carga eléctrica que tiene una órbita circular pierde energía. Bajo esta premisa, el modelo de Rutherford no podía ser estable, dado que la pérdida de energía de los electrones haría que terminaran por precipitarse contra el núcleo. Quedaba claro que, si los resultados de Rutherford eran correctos, y todo parecía indicar que lo eran, los físicos se encontraban ante una serie de problemas cuya solución requería el desarrollo de una nueva física.

"Es, probablemente, el hallazgo más importante del siglo XX", dice un experto

Apenas dos años después del descubrimiento del núcleo, el físico alemán Niels Böhr propuso un nuevo modelo basándose en los resultados de Rutherford, pero tomando prestadas unas revolucionarias ideas que utilizaban un nuevo concepto, la cuantización. El modelo de Böhr mantenía la estructura planetaria del átomo de Rutherford, pero introducía ciertos postulados que establecían que los electrones sólo podían describir unas órbitas circulares especiales en las que no había pérdida de energía, lo que permitía que el modelo fuese estable. Se iniciaba así la era de una nueva física, una innovadora forma de observar la materia que cambiaría para siempre la forma de estudiar el mundo microscópico. La física cuántica comenzaba a asomar la cabeza.

Sin duda, el descubrimiento de Rutherford contribuyó de manera decisiva a la formulación de una nueva teoría que explicara la estructura de la materia. Sin embargo, el experimento que realizó también se puede considerar un hito de la física experimental. Para Carlos Salgado, físico del Instituto Gallego de Altas Energías y uno de los ponentes del congreso de Manchester, el hallazgo de Rutherford "es, probablemente, el descubrimiento más importante del siglo XX". El bombardeo de la lámina de oro con partículas alfa fue relevante, "tanto por el descubrimiento en sí mismo, como por haber iniciado una metodología que se sigue utilizando en la actualidad", afirma Salgado.

Esencialmente, el experimento consistió en "lanzar pequeños proyectiles que impactaban contra partículas de mayor tamaño, utilizando el resultado de las colisiones para estudiar la estructura del objetivo", explica Salgado. Este mismo principio se sigue utilizando para analizar la estructura de la materia en la actualidad y es la base de los actuales aceleradores de partículas. De esta forma, el experimento de Rutherford se podría considerar como el germen a partir del cual surgieron los grandes aceleradores de la actualidad, como el LHC. La principal diferencia de estos nuevos aceleradores con el experimento que sirvió para descubrir el núcleo es la energía de las partículas utilizadas, pues mientras más se quiere entrar en el interior del átomo, "mayor tiene que ser la energía de las colisiones", explica Salgado.

El experimento de Rutherford inició los aceleradores de partículas

Aprovechando la metodología iniciada por Rutherford, los investigadores se han dedicado a hacer colisionar partículas con núcleos atómicos para ir desentrañando su estructura interna. De esta forma se llegó a descubrir que éste estaba compuesto por protones y neutrones, lo que desembocó en un nuevo problema. Dado que dos cargas eléctricas de signo opuesto se repelen ¿cómo es posible mantener los protones unidos en el núcleo? Los físicos resolvieron esta situación postulando la existencia de una nueva fuerza en el interior del núcleo, a la que denominaron fuerza fuerte. La cosa no quedó aquí y los físicos siguieron haciendo colisionar partículas hasta que, en 1968, descubrieron que los protones y los neutrones que formaban el núcleo, estaban compuestos por unas pequeñas partículas, denominadas quarks.

Estas pequeñas partículas son las que realmente sufren la fuerza nuclear fuerte, y su intensidad es tal, que siempre están agrupadas, formando otras partículas, como los protones o los neutrones. Hoy, los grandes aceleradores pretenden llegar a separarlas, aunque sólo sea durante un breve lapso de tiempo, lo que les permite estudiar nuevas formas de la materia. Según explica Salgado, cuando dos núcleos chocan a energías muy altas, "durante una fracción infinitesimal de segundo los quarks dejan de estar confinados y forman una especie de sopa, un nuevo estado de la materia", cuyas propiedades aún son objeto de estudio.

Durante los últimos cien años el mundo de la física ha pasado de desterrar el modelo atómico de la galleta, a estudiar una sopa de quarks. Sin duda, el descubrimiento del Rutherford abrió un camino que está lejos de cerrarse. Para el profesor John Schiffer, es necesario seguir el camino iniciado por el físico neozelandés y cierra su ponencia con una frase que resume el impulso que anima al ser humano a seguir investigando: "Debemos continuar la búsqueda, sólo así llegaremos a comprender mejor las reglas que rigen nuestro mundo".