Desintegración beta
La desintegración beta es aquel proceso nuclear en el que un neutrón se convierte en un protón o al revés. Es el punto de partida de toda la física de neutrinos: en ella se advirtió que parecía faltar energía, y de esa laguna surgió la conjetura de que existía el neutrino.
Las tres formas
Desintegración beta menos. Un neutrón se convierte en un protón, un electrón y un antineutrino. El núcleo avanza un lugar hacia arriba en el sistema periódico. Este es el caso más frecuente y aquel al que uno se refiere habitualmente.
Desintegración beta más. Un protón se convierte en un neutrón, un positrón y un neutrino. El núcleo avanza un lugar hacia abajo. En estado libre eso no ocurre nunca — un protón aislado es estable —, pero sí dentro del núcleo, cuando la energía de enlace lo favorece.
Captura electrónica. El núcleo atrae hacia sí un electrón de la capa más interna y convierte con ello un protón en un neutrón. Aquí se produce solo un neutrino y ninguna otra partícula cargada. Justo este proceso lo utilizó Maurice Goldhaber en 1958 para la medición de la helicidad.
Qué hay detrás
En el plano de los quarks el proceso es sencillo. Un neutrón consta de dos quarks down y un quark up, un protón al revés. En la desintegración, un quark down se transforma en un quark up y emite al hacerlo un bosón W, que se desintegra de inmediato en un electrón y un antineutrino.
Como el bosón W es unas ochenta veces más pesado que un protón, apenas llega lejos — y por eso la interacción débil es tan lenta. Un neutrón libre vive por término medio unos 880 segundos, es decir, poco menos de un cuarto de hora. Para los procesos nucleares eso es una eternidad.
El enigma del espectro continuo
En 1914 James Chadwick constató que los electrones procedentes de la desintegración beta tienen energías muy distintas. En cualquier otro proceso nuclear la energía es nítida: el núcleo salta de un estado a otro, y la diferencia aparece por completo.
Aquí era un espectro amplio, desde casi cero hasta un valor máximo. ¿Dónde quedaba el resto?
Durante quince años se discutió si se trataba de un error de medición. En 1930, Lise Meitner y Wilhelm Orthmann zanjaron la cuestión con un calorímetro: no midieron electrones individuales, sino todo el calor cedido. Si el espectro fuera un artefacto, la cantidad de calor habría tenido que corresponder al valor máximo. Correspondió al valor medio.
La energía desaparecía, pues, realmente.
Las dos salidas
Niels Bohr consideró seriamente abandonar el principio de conservación de la energía a pequeña escala.
Wolfgang Pauli tuvo eso por el precio más alto y propuso en diciembre de 1930 el otro camino: una partícula invisible que se llevara la energía faltante.
Enrico Fermi hizo de ello en 1934 una teoría que no solo salvaba el balance, sino que predecía la forma del espectro — y la forma medida coincidía. Con ello la solución de emergencia de Pauli era física comprobada.
Por qué la forma del espectro sigue contando hoy
En el extremo superior del espectro, donde el electrón recibe casi toda la energía, apenas queda algo para el neutrino. Si este tiene masa, debe aportarse al menos la energía necesaria para ello — y el espectro termina un tramo diminuto antes.
Justo eso mide KATRIN en el tritio. Es el único acceso a la masa del neutrino que prescinde de supuestos de modelo.
El caso doble
En algunos núcleos la desintegración beta simple está prohibida energéticamente, pero la doble está permitida. Entonces se transforman dos neutrones a la vez. Los periodos de semidesintegración se sitúan en 10¹⁸ años y más — y aun así esta desintegración se ha medido.
Se busca la variante sin neutrinos. Solo sería posible si el neutrino es su propia antipartícula, y respondería con ello a una de las preguntas abiertas más antiguas. Más detalles en la página Doble desintegración beta.
Dónde se encuentra además el proceso
La desintegración beta no es un asunto de laboratorio. Genera los neutrinos de reactor con los que en 1956 se logró la primera detección de un neutrino. Proporciona los geoneutrinos con los que puede determinarse el balance térmico de la Tierra. Está al comienzo de la fusión nuclear en el Sol. Y es la base de la datación por radiocarbono.
Términos relacionados
- Wolfgang Pauli — la propuesta de 1930
- Lise Meitner — la medición decisiva
- Enrico Fermi — la teoría
- KATRIN — la aplicación actual
Fuentes
- E. Fermi: Versuch einer Theorie der β-Strahlen, Zeitschrift für Physik 88, 161 (1934).
- L. Meitner, W. Orthmann: Über eine absolute Bestimmung der Energie der primären β-Strahlen von Radium E, Zeitschrift für Physik 60, 143 (1930).