Carreras de isótopos por ISOLDE

Uno de los momentos más emocionantes que puede haber en la vida de un físico, especialmente si te dedicas a eso de bombardear cosas para averiguar de qué están formadas, es visitar el mayor acelerador de partículas de mundo. Estoy hablando por supuesto del CERN, en Ginebra. Visitarlo como científico es todavía mejor que si vas de turista (sí, aunque os suene raro hay gente que lo hace), y por eso hago esta entrada: para que sepáis cómo es hacer un experimento en el mayor laboratorio del mundo.

Eso sí, si estáis esperando que os hable del gran colisionador de hadrones (LHC) y del bosón de Higgs habéis elegido mal la entrada porque ésta no es una de esas historias. El experimento que nosotros fuimos a hacer no era de altas energías (del tipo protón contra protón a 7 TeV), sino mucho más modesto, con energías de unos pocos keV. Pero así vais a descubrir un CERN que no sale en las revistas, uno menos popular y sin embargo igualmente útil para la Ciencia.

CERN_complexPara los que no conocéis el CERN, debéis saber que el emblemático LHC (de 26 km de circunferencia), es sólo uno de los muchos anillos de aceleración que hay. Para mantener un acelerador tan grande cargado con partículas se necesitan muchas instalaciones auxiliares que preaceleren e inyecten esas partículas. ¿Cuántos? Pues os podéis hacer una idea con este esquema de la red de aceleradores.

GeVH

Simulación de 1000 protones a 1.4 GeV en un bloque de Pb

Para contaros cómo llegar a nuestra instalación experimental lo mejor es que viajéis rápido así que quiero que os disfracéis de protón. ¿Preparados? Pues bien, como protón que soís estáis viviendo plácidamente en una botella al principio del LINAC2, un acelerador lineal. Sin embargo, de repente os meterán en un tubo y empezaréis a sentir una fuerza enorme, que os pondrá a 50 MeV (millones de electrónvoltios). Un protón a esa energía puede atravesar una lámina de 4 mm de plomo sin despeinarse. Pero a ti todavía te queda camino.  Al final del LINAC2 te llevarán a dar una vuelta por el Proton Synchrotron Booster (PSB) o booster a secas. ¿Lo sitúas en el mapa?

El booster es un acelerador circular (de 4 anillos a distintas alturas) que pone los protones a 1.4 GeV. ¿Sabes cuánto plomo puedes atravesar ahora que tienes 1.4 GeV de energía? ¡Más de medio metro! Pero todavía tienes poca energía para el LHC así que lo normal es que te lleven a otro anillo más grande: el Proton Synchrotron (PS), donde podrás alcanzar 25 GeV. Si fueras a ser un protón de esos que descubren el Higgs todavía seguirías al SPS y finalmente al LHC, pero lo siento, tu misión en la vida es otra y por el camino del booster al PS te van a desviar en la primera a la izquierda: acabas de llegar a ISOLDE, ¡donde estamos nosotros midiendo!

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Amanecer después del tiempo de haz en ISOLDE (con el Mont Blanc de fondo)

ISOLDE (ISotope On Line DEtector) es una instalación radiactiva del CERN donde se aceleran isótopos “exóticos”. Exóticos para nosotros significa que no se producen de forma natural, o al menos no en cantidades manejables,  aunque en realidad quiere decir que tienen muchos más neutrones que protones. Hay muy pocas instalaciones en el mundo donde esos isótopos se pueden producir y las medidas de protección radiológica son muy altas, hasta el punto de que ciertas zonas sólo son accesibles a los robots. Pues allí que nos fuimos nosotros una semana… =)

Por si no lo sabéis, cuando se usan este tipo de grandes instalaciones, hay tiempo de haz 24 horas al día, es decir, que se trabaja sin descanso intentando medir el mayor número de muestras posible. Nosotros eramos 4 así que dos personas hacían el turno de mañana y dos el de noche. ¿Adivinad cuál me tocó a mí? (Sí, el de noche.)

Un vistazo a ISOLDE por dentro

Un vistazo a ISOLDE por dentro

Los isótopos radiactivos son muy útiles, por ejemplo para la datación o para pruebas médicas (para quien quiera saber más de eso le recomiendo un desayunoconfotones). Nosotros queríamos hacer algo parecido: implantarlos en nuestras muestras y usarlos como sondas microscópicas que nos dijeran los defectos que había en ellas.

Lo verdaderamente difícil de los isótopos no es acelerarlos para la implantación, sino producirlos en cantidades suficientes. ISOLDE hace eso muy bien, robando paquetes de protones a 1.4 GeV del booster para bombardear blancos convencionales y transformarlos en radiactivos. Así que tú viaje como protón acaba aquí, estrellándote contra el blanco que pedimos. Y por si lo quieres saber, acabas de convertirte en parte de un núcleo de cadmio 111 metaestable (Cd-111m). Queríamos estudiar el comportamiento del Cd en un compuesto de CdZnO así que implantar Cd era ideal.

    Cascada gamma-gamma de desintegración del Cd-111m

Cascada gamma-gamma de desintegración del Cd-111m

Una vez que implantas el isótopo en tu muestra, la llevas fuera de la cámara a un sistema de medida de radiación. En concreto, la técnica que usamos se llama PAC (Perturbed Angular Correlation), y aunque los detalles son bastante técnicos, el método global no es tan complicado de entender. Al implantar un isótopo radiactivo en tu muestra, éste se va a desintegrar. Si el isótopo está bien elegido (y el nuestro lo estaba), la desintegración se produce por una cascada gamma-gamma. Por ejemplo, el Cd-111m se desintegra a Cd-111 (estable) pero lo hace en dos pasos. Primero libera energía emitiendo un fotón γ1 (de 150.8 keV) y este paso tiene una semivida de 48.5 minutos. Luego pasa por un estado excitado ultrarápido, que se desintegra nuevamente con sólo 84.5 ns de semivida, emitiendo otro fotón γ2 (de 245.4 keV). Pero existe una particularidad: el primer fotón y el segundo fotón serán perpendiculares entre sí así que para detectarlos hay que usar dos detectores situados a 90º.

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Nuestro sistema de detección PAC con dos parejas de detectores perpendiculares entre sí

El primer fotón se usa como disparo de salida y sirve para poner el cronómetro del segundo (sabemos cuál es cuál porque sus energías son distintas), así que podemos medir muy bien el número de desintegraciones en función del tiempo. Como todo el mundo sabe, la ley de desintegración radiactiva dice que ese número decrece exponencialmente. Sin embargo, cuando el isótopo que se desintegra está rodeado por algún gradiente de campo eléctrico, es decir, rodeado por átomos en una configuración “extraña”, hay perturbaciones que hacen que el número de desintegraciones oscile periódicamente sobre el fondo exponencial natural. Total, que el espectro que se mide es algo así:

Espectro típico de PAC con oscilaciones sobre el fondo de desintegración radiactiva

Espectro típico de PAC con oscilaciones sobre el fondo de desintegración radiactiva

Con la frecuencia de esa sutil oscilación (o frecuencias, porque a veces hay más de una), lo creáis o no, se puede saber lo que rodea a nuestro isótopo radiactivo, y así saber qué tipo de defectos hay en nuestro cristal.

Y ahora que ya sabéis lo que fuimos a hacer, ¿queréis saber lo que pasa de verdad por las noches de medida?

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Nuestra muestra en el horno al rojo vivo después de la implantación en ISOLDE

Pues bien, dejádme que os lo explique, pero antes una reflexión sobre un pequeño detalle que a lo mejor ha pasado desapercibido: nosotros medimos Cd-111m, que tiene una semivida de 48.5 minutos. Eso quiere decir que en 48.5 minutos la mitad de tus isótopos ya se han desintegrado, y en otros 48.5 mins. habrás perdido otra mitad, y así sucesivamente… Como puedes implantar muy pocos isótopos, como mucho puedes medir unas 4 semividas antes de que todo tu espectro sea puro ruido.

Vale, pues ahora la noche. Como podréis imaginar hay mucha gente usando ISOLDE, pero no hay tantos sistemas experimentales en los que medir PAC, así que hay que turnarse para hacer las implantaciones. El principio de la noche suele consistir en dar vueltas por la sala de control preguntando quién va a implantar primero y cuándo te toca a ti y esas cosas. Tú todavía estás fresco porque acabas de llegar al acelerador (sobre las 8 de la noche). Esperas pacientemente tu turno de implantación (que dura unos minutos), y cuando por fin te toca empieza la fiesta.

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Ordenador de control de líneas en ISOLDE

Acabas de convertir tu muestra en radiactiva pero también la has dañado por la implantación. Cada minuto que pierdes son menos cuentas, peor estadística, y quizá echar perder toda la medida, así que te tienes que dar prisa. Tú, y el resto que contigo ha conseguido implantar en ese turno, sale disparado para el sistema de PAC. Para tratar de recuperar la calidad cristalina, lo normal es que se haga un tratamiento térmico en el horno, y ahí vas a perder muchas desintegraciones valiosas antes de medir, pero tienes que hacerlo. Luego hay que encapsular la muestra para ponerla en el sistema, y finalmente empezar a tomar el espectro y verificar que todo va bien.

Después de todo ese estrés por fin puedes descansar y sentarte a mirar los espectros de desintegración. Desgraciadamente son espectros bastante aburridos, así que en realidad lo difícil es no dormirse porque en cuanto acabes esa muestra tienes que volver a ISOLDE a implantar otra. El primer día es divertido, pero al final de la semana ya no sabes ni quién eres. Esto suele pasar también en el tiempo de haz de los sincrotrones pero esa historia la dejaremos para otra ocasión…

Mapa de semividas de isótopos

Mapa de semividas de isótopos

Quiero acabar esta entrada con una anécdota de un valiente estudiante de doctorado portugués que, hace muchos años, hizo PAC con bario-127. Cuando iban a empezar los experimentos en ISOLDE su jefe le dijo: ¿qué leches has estado haciendo antes? Uno de los responsables le había llamado la atención porque había visto a su estudiante corriendo por los pasillos como un loco cada 5 minutos. Y es que el Ba-127 se desintegra en Cs-127 con una semivida de sólo ¡13 minutos! El pobre estudiante estaba intentando cronometrar el tiempo para llegar al sistema de PAC lo más rápido posible, y descubrió que si cogía el ascensor ¡no conseguía medir el espectro!

Creo que estas historias son las que muestran la grandeza de la ciencia, y ésa es la ciencia de verdad: donde la gente se pasa las noches enteras corriendo con isótopos para hacer la mejor medida. Esta entrada la escribo en su honor.

De cierre os dejo con nuestra mejor tradición: cuando se acaba el tiempo de haz del CERN siempre bajamos a Ginebra para celebrar los experimentos con una buena fondue de queso. ¡Qué grandes recuerdos!

La tradición para cerrar el tiempo de haz.

La tradición para cerrar el tiempo de haz.

3 Respuestas a “Carreras de isótopos por ISOLDE

  1. Muchas gracias por tu blog, me ha encantado. En dos semanas me voy a ISOLDE a realizar medidas PAC y buscando información sobre ello me he topado con tu blog. Ya he estado en ISOLDE midiendo espectroscopía Mössbauer, pero esta vez voy tres semanas seguidas para primero medir PAC y luego Mössbauer. ¡Espero sobrevivir al intento! Ya sabes lo cansado que termina uno.
    Me hubiera gustado encontrar tu nombre por algún sitio de tu blog, pero no sé si intencionadamente o no, es una empresa un tanto difícil.
    En cualquier caso, seguiré leyéndote y te deseo lo mejor en esta carrera científica que cada día se hace más difícil. El sistema ha sabido aprovecharse del hecho de que a los científicos nos gusta trabajar por amor a la ciencia, lo que en cierto modo nos ha terminando perjudicando un poco, pero este es otro tema, quizá para futuras entradas de tu blog. Un saludo y suerte.

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    • Muchas gracias Aitana. Me alegro de que la entrada te haya servido antes de tu tiempo de haz. Mucha suerte con los experimentos en ISOLDE. No dejes de contarnos qué tal te va. Y si te animas, una entrada sobre tus experimentos de Mösbauer es bienvenida para el Hall of Fame =) Toma una fondue a nuestra salud…

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