El humilde neutrón que ayudará 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 química en nuestros tiempos de estudiantes.

Hagamos un breve repaso: la química se centra en los componentes con los que se construye nuestro mundo físico, como los átomos, y los cambios que se producen en ellos. Los átomos constan de un núcleo de protones y neutrones rodeado de una nube de electrones.

Pasemos ahora a algo que quizás no nos enseñaron en el instituto: si se manipula adecuadamente, el humilde neutrón, que se encuentra en el núcleo de todos los átomos salvo el de hidrógeno, puede aportar información clave en muchos ámbitos, como la crisis climática, la energía, la salud o la computación cuántica.

Una de las formas de conseguirlo nos la proporciona la espalación, un proceso bastante espectacular en el que partículas de alta energía desestabilizan el núcleo de un átomo, 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 Espalación (ESS por sus siglas en inglés, European Spallation Source) que se está construyendo en Lund (Suecia) entrará en funcionamiento en 2027. Cuando alcance plenamente sus especificaciones, su flujo y rango espectral sin precedentes la convertirán en la fuente más potente y versátil de neutrones con fines científicos de todo el mundo.

En palabras del responsable de innovación e industria de la EES, Jimmy Binderup Andersen, el objetivo de esta instalación es “crear neutrones, un haz de neutrones, para emplearlo con fines científicos”. Cuando la EES esté operativa, los científicos europeos y del resto del mundo podrán utilizar sus quince líneas de haces diferentes para llevar a cabo iniciativas de investigación científica básica.

No son rayos X

Según explica Andersen, un haz de neutrones “no es lo mismo que los rayos X, pero sí es complementario y ambos se basan en ciertas leyes físicas”. Al igual que los rayos X, los neutrones pueden emplearse para estudiar materiales y sistemas biológicos. No obstante, interactúan con los materiales de distinta forma que los fotones de alta energía de los rayos X y, por tanto, ofrecen distintos tipos de información sobre sus objetivos.

Así, los haces de neutrones pueden aportar información sobre las dinámicas internas de las baterías de ion-litio, revelar detalles antes insondables sobre artefactos antiguos o esclarecer los mecanismos de la resistencia de las bacterias a los antibióticos. Asimismo, pueden destinarse al estudio de la física fundamental. Más bien cabría preguntarse, ¿qué 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 tecnologías para la ESS que se han puesto a disposición de la industria europea y que beneficiarán a la sociedad en su conjunto. Por ejemplo, algunos de los sistemas de alimentación desarrollados para las líneas de haces de la ESS podrían aplicarse a tecnologías de energías renovables como los aerogeneradores.

Recientemente, un fabricante europeo de semiconductores se puso en contacto con la ESS para interesarse por los campos de radiación que puede generar la fuente de neutrones. El mundo en el que vivimos está sometido a un constante bombardeo de neutrones que se genera cuando las partículas de alta energía procedentes del espacio exterior, como los rayos cósmicos del Sol, impactan con la atmósfera terrestre. Con el tiempo, esta exposición puede dañar los componentes eléctricos.

La ESS puede simular este bombardeo de neutrones, pero a una escala temporal mucho mayor, lo que permite realizar ensayos de durabilidad de componentes eléctricos de importancia crítica, como los que se utilizan en aviones, aerogeneradores y vehículos espaciales.

La Fuente Europea de Espalación ha unido fuerzas con otros institutos de investigación y empresas para identificar posibles usos futuros de una instalación como esta y abordar así este tipo de necesidades específicas de la industria.

ESS 2.0

A pesar de que la ESS está aún en construcción, la comunidad científica ya estudia cómo mejorarla. Cuando se inaugure, dispondrá de un moderador, pero el proyecto financiado con fondos de la UE HighNESS está desarrollando un segundo sistema moderador. Estos sistemas ralentizarán los neutrones generados durante el proceso de espalación para adaptar su nivel de energía a las necesidades de los instrumentos científicos.

“La energía de los neutrones es tremendamente importante en una instalación de generación de neutrones, ya que de ella depende que se puedan llevar a cabo unos u otros procesos físicos”, explicó Valentina Santoro, coordinadora del proyecto HighNESS.

Aunque el primer moderador ofrecerá un alto nivel de brillo, esto es, un haz de neutrones muy concentrado, la fuente que está desarrollando el proyecto HighNESS proporcionará una elevada intensidad o, dicho de otro modo, un gran número de neutrones.

Los dos moderadores permitirán a los científicos estudiar distintos aspectos de las dinámicas y la estructura de materiales como polímeros, biomoléculas, metales líquidos y baterías.

Un misterio fundamental

El segundo moderador permitirá además explorar la física fundamental y tratar de ver por vez primera a un neutrón convertirse en un antineutrón. “Se trata de algo muy interesante, ya que supone observar un fenómeno en virtud del cual la materia se convierte en antimateria”, comentó Santoro, física de partículas de la ESS. Y añade: “Observar este fenómeno nos permitirá desentrañar uno de los mayores misterios sin resolver: ¿por qué hay más materia que antimateria en el universo?”.

Según explicó Santoro, este experimento solo puede llevarse a cabo en la ESS, dado que se precisa un enorme número de neutrones y esta instalación será la que más produzca en todo el mundo. “Un solo neutrón que se convierta en antineutrón es suficiente para descubrir el proceso por el cual la materia se convierte en antimateria”, afirmó Santoro.

La investigación descrita en este artículo ha sido financiada con fondos de la UE. Artículo publicado originalmente en Horizon, la Revista de Investigación e Innovación de la Unión Europea.

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