El átomo de hidrógeno o pasión por la precisión




                                                   

Obras como el Miserere de Allegri , el Hagia Sophia en Istanbul y Las Meninas de Velázquez demuestran la gran naturaleza creadora y precisión técnica que distinguen a la raza humana de las demás comunidades que habitan este planeta. Estas habilidades no sólo se manifiestan en las artes sino también en las ciencias y como muestra basta un botón. A mediados del año pasado el grupo de trabajo de Ted Hänsch del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica en Alemania publicó una joya de resultado que rivaliza con estas grandes obras maestras. El resultado es la medición del incremento en el volumen del núcleo del hidrógeno al añadir un neutrón. Lo exquisito del resultado no consiste en que se haya observado este efecto sino en la inesperada herramienta utilizada : el láser. 

La relación entre un láser y el núcleo atómico es más clara si entendemos las leyes que describen el comportamiento del mundo microscópico. La materia a muy pequeña escala obedece a pies juntillas las leyes de la mecánica cuántica. Esta estipula (entre otras cosas) que solamente ciertas configuraciones energéticas de la materia son posibles. Las configuraciones energéticas se llaman, en lenguaje más técnico, estados cuánticos y contienen el cómo, cuándo y dónde del sistema y lo que es más importante, reflejan qué sucede en el sistema a cada instante. Ilustremos esto con el átomo más simple: el hidrógeno. El electrón que gira alrededor del núcleo, compuesto por un protón, sólo puede existir en ciertas órbitas prestablecidas definidas por la mecánica cuántica. Si cambiamos la configuración, por ejemplo, añadiendo un neutrón (que es transformar el hidrógeno a deuterio), la trayectoria del electrón cambia y también su estado cuántico. Este cambio o transformación se ve reflejado en la energía del sistema. Basta medirla para saber que algo ha sucedido. Desde el punto de vista experimental esto es muy conveniente: existe una relación uno a uno entre lo que sucede entre las partículas y las energías que uno mide en el laboratorio. Medir una energía con alta precisión equivale a decir que uno tiene la posibilidad de entender con gran detalle qué sucede en el mundo microscópico. 

El estudio de los estados cuánticos se originó hace un poco más de cien años y diversos métodos han sido desarrollados para medirlos y entenderlos. El experimento de Ted Hänsch (Premio Nobel de física en 2005 por sus contribuciones a la espectroscopía óptica de alta precisión y la creación del peine de frecuencias) usa un método que se asemeja mucho a lanzar “flashazos” a los átomos y ver como reaccionan. La luz que se usa no proviene de una lámpara sino de una fuente luminosa con gran pureza espectral: un láser. Esto significa que la luz contiene un muy reducido número de colores o longitudes de ondas. Gracias a su pureza espectral, el láser es una herramienta muy atractiva para hacer experimentos que requieren una incertidumbre experimental muy pequeña. 

¿Qué tiene que ver la pureza espectral con la precisión? Imaginemos que pasamos luz blanca por un filtro óptico que absorbe el 99.999999999998 por ciento de los colores que componen nuestro haz. Lo que nos queda es un rayo ultrapuro de luz con una frecuencia (o color) muy bien definida (tan bien definida que equivaldría a conocer la distancia entre la Tierra y la Luna con una precisión de una fracción del grosor de un pelo humano). 

Un haz de luz tan puro, aparte de ser una gran muestra de músculo técnico, es también una muy precisa regla para medir energía. Max Planck (Premio Nobel de fisica de 1918) hace 105 años postuló que conocer la frecuencia de una onda electromagnética (como la luz visible) equivale a conocer su energía. Si un haz ultrapuro interacciona con un átomo cediéndole energía y cambiando su estado cuántico, entonces conocemos también muy bien la energía que necesitamos para excitarlo y por ende qué sucede dentro de él. 

El grupo de Ted Hnsch obtuvo resultados estudiando el átomo de hidrógeno y el siguiente isótopo mas pesado: el deuterio. Comparando los colores de los láseres que se usaron para estudiar los dos isótopos pudieron deducir que el deuterio tiene un volumen más grande. La diferencia en los radios es de aproximadamente 2 femtómetros o 2 mil billonesimas de metro! 

Esta serie de experimentos dieron las mediciones con menor incertidumbre jámas logradas del incremento del radio nuclear (o cambio en el volumen) del hidrógeno como función del número de neutrones en el núcleo. En el pasado este tipo de estudios se habían hecho con grandes aceleradores de partículas que requieren un gran número de personas y equipo para operar. Es realmente impresionante la reducción en el número de recursos necesarios para realizar este tipo de investigaciones sin sacrificar sofisticación o precisión experimental. Definitivamente las cosas buenas vienen en paquetes pequeños.


Por: Adrián Pérez Galván

Fuente: La Jornada 
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