Mi primer día (y el pico a 511 keV)

Creo que para ser justos con este diario de laboratorio que es DayInLab mi primera entrada del blog debería ser también mi primer día en el laboratorio así que, aunque ya hace bastante tiempo de aquel momento, voy a contaros la historia para inaugurar esta página oficialmente.

Pues bien, mi primer día como científico fue el 26 de septiembre de 2005. Sí, ya sé que hace mucho de eso… pero todavía lo recuerdo suficientemente bien como para contaros lo que pasó. Yo iba a empezar la tesis oficialmente el día 1 de octubre, pero a la Ciencia no le gusta eso de los horarios (cosa a la que ya dedicaremos otra entrada) así que un experimento prematuro me reclamaba la semana anterior.

Yo, evidentemente, no tenía ni idea de hacer nada, porque en la carrera se enseña teoría cuántica de campos y relatividad general y muchas cosas más, pero la vida en el laboratorio se la saltan (aunque afortunadamente eso está cambiando). Además de esa etapa perdida de mi vida tampoco había tenido tiempo de leer eso que se llama estado del arte (que consiste en empaparte de todo el conocimiento del campo). Total, que ni sabía lo que iba a medir, ni sabía para qué, ni sabía cómo. Lo único que tenía claro es que íbamos a hacerlo con un acelerador de iones, y a mí eso me bastaba.

Mi primer portamuestras

Empezamos por lo más simple: montar las muestras sin romperlas. En este caso tuve suerte porque el material que queríamos medir estaba crecido sobre zafiro, que como sabéis es uno de los materiales más duros que hay, sólo por debajo del diamante en la escala de Mohs. Normalmente se trata de meter el mayor número de muestras posibles, ya que van a una cámara experimental en alto vacío, lo que requiere cierto tiempo de bombeo (aprendería más tarde que el tiempo nunca sobra en la Física experimental). En fin, aunque seguramente me llevó un rato más largo del que quiero recordar conseguí meter 6 muestras con sólo 3 tornillos. Os dejo mi obra de arte de aquel día, por si sentís curiosidad.

Tras colocar las muestras y hacer vacío, uno se dedica a comprobar que la estación experimental está funcionando bien. Se revisan las conexiones y los detectores de partículas, y si todo está bien, sólo queda esperar a que el operador del acelerador te informe de que el haz está listo. El haz es el conjunto de partículas que aceleras y que vas a estampar contra tu muestra para sonsacarle toda la información que puedas. En este caso cocinábamos con protones a 3 MeV (digamos que muy rápidos para entendernos =) porque queríamos hacer un análisis por reacción nuclear. Podéis imaginar mi cara al descubrir que en mi primer día iba a hacer, ni más ni menos, que una reacción nuclear. Juntádlo a mi completa ignorancia y tenéis un cóctel perfecto de nervios y sorpresa. A pesar de todo era un momento muy excitante, porque no todos los días se presenta la oportunidad de ¡romper el núcleo de un átomo!

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Reacción nuclear de un protón con Al emitiendo un rayo gamma

Para que comprendáis por qué queríamos hacer eso necesito explicaros primero nuestro objetivo. Estábamos midiendo capas de nitruro de galio (un material que dió el premio Nobel el año pasado a Nakamura, Amano y Akasaki). Las capas tenían, además de galio, un contenido alto de aluminio pero no sabíamos cuánto y era precisamente lo que queríamos averiguar. Pues bien, una manera de determinar eso es bombardear la muestra con protones, porque si éstos tienen suficiente energía (y 3 MeV es suficiente, creédme), reaccionarán con el alumino, que después del choque volverá a su estado fundamental emitiendo un rayo gamma (un fotón de alta energía). Los físicos escriben esa reacción como Al(p,pγ)Al: el alumino recibe un protón (p) y devuelve otro protón más un fotón (pγ) volviendo a ser aluminio. Pero lo importante de verdad es la cuenta: el número de fotones que te llegan es proporcional al número de átomos de alumino que tenías, lo que te permite saber cuánto había en tu muestra. En realidad, la cuenta es algo más compleja porque hay que conocer algunos parámetros físicos, pero no quiero que cojáis manía al blog en la primera entrada así que omitiremos eso por hoy.

Mapa de radiación gamma en España (proyecto MARNA)

Mapa de radiación gamma en España (proyecto MARNA)

Una cosa importante que aprendí este día es que, al igual que con las cumbres en la montaña, los experimentos no se acaban después de alcanzar la cima. El análisis posterior suele llevar mucho más tiempo que el propio experimento, y éste era uno de esos casos. Sucede que cuando mides rayos gamma siempre hay una contribución del fondo de radiación gamma natural, radiación que nos atraviesa a diario sin que lo notemos. Gracias al proyecto MARNA del Consejo de Seguridad Nuclear conocemos bien la cantidad de radiación de ese tipo en España, pero la radiación varía de punto a punto. Por ejemplo, el Sistema Ibérico central tiene dosis altas de radiacción gamma porque es un suelo granítico, rico en radón, que es un núcleo inestable. Así que después del experimento estuvimos adquiriendo el fondo natural de nuestro laboratorio durante 48 horas.

Fondo de radiación gamma de nuestro experimento

Fondo de radiación gamma de nuestro experimento con el pico a 511 keV de la aniquilación e-e+

El experimento salió bien y pudimos cuantificar el aluminio, pero lo que más recuerdo de todo ese día no fue nada de eso. Lo que más recuerdo fue el pico a 511 keV del fondo de radiación natural. Veréis, el fondo contiene una gran variedad de picos porque hay muchos isótopos radiactivos que emiten rayos gamma. El más intenso es, con diferencia, el potasio-40 (un isótopo muy frecuente que incluso ingerimos a menudo: recordádlo cuando toméis un plátano). Sin embargo, hay otro pico, mucho menos intenso, que aparece a una energía de 511 keV, de 510.998910(13) keV para ser más exactos. Esa energía no es cualquiera: es la energía de la masa en reposo del electrón (e-).

¿Qué pinta el electrón en todo esto si estábamos midiendo fotones (rayos gamma)? La respuesta es que, el que de verdad importa no es el electrón sino el positrón: la antipartícula del electrón, con su misma masa pero con carga positiva.

e+e-Aunque la antimateria es rara en el Universo que conocemos por alguna razón que no está del todo clara, resulta que algunos fenómenos nucleares dan lugar a desintegraciones que emiten positrones (e+). La vida de las antipartículas como el positrón es reducida porque, en un mundo rodeado por materia ordinaria, tan pronto como se encuentan con su partícula (el electrón) se aniquilan. Debido a esa propiedad normalmente no observamos la antimateria, y de hecho el positrón fue predicho por P.A.M. Dirac gracias a una ecuación antes de ser observado experimentalmente (ésa es una de las mejores historias de la ciencia que conozco y merece un capítulo aparte que reservo para otro día).

Cuando la aniquilación electrón-positrón (e-e+) ocurre el resultado es la emisión de dos fotones que, para conservar la energía, tienen también 511 keV cada uno. Esos fotones, nacidos de desintegraciones nucleares donde se emiten positrones, ¡eran los que yo estaba viendo en mi fondo de radiación!

Con el tiempo me acostumbraría a ver ese tipo de cosas en mis espectros, pues en realidad son fenómenos que ocurren continuamente a nuestro alrededor, pero ese 26 de septiembre os aseguro que medir antimateria por primera vez en mi vida fue algo realmente emocionante. Y eso es lo que yo llamo un buen comienzo… ¿no os parece?

@DayInLab

8 Respuestas a “Mi primer día (y el pico a 511 keV)

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