El paraíso de los neutrones La Fuente Europea de Neutrones por Espalación (ESS) que está construyéndose en Lund, Suecia, será la fuente de estas partículas más potente del mundo; una instalación de investigación multidisciplinar de última generación que permitirá a los científicos mirar en el interior de la materia con gran nivel de detalle. La ESS, de la que forman parte trece países europeos, entre ellos España, producirá neutrones libres con fines científicos mediante un proceso denominado espalación. Los neutrones son una herramienta muy útil para revelar la estructura y la función de la materia (desde la escala microscópica hasta la atómica) y su dinámica interna, pudiéndose emplear en casi todos los ámbitos de la ciencia: física, química, geología, biología, medicina, ingeniería, ciencia de materiales, arqueología e historia del arte. El conocimiento básico que salga de la ESS, que prevé entrar en funcionamiento a finales de 2027, podrá utilizarse en medio ambiente, medicina, conservación del patrimonio y para el desarrollo de nuevos materiales para ser utilizados en ámbitos como la energía y las tecnologías de la información. Texto: Eugenia Angulo Alonso | Periodista de ciencia 

El 27 de febrero de 1932, la revista Nature publicó una carta firmada por James Chadwick, un físico inglés de 41 años que trabajaba con Ernest Rutherford en el Cavendish Laboratory de la Universidad de Cambridge. El título transmitía una cierta incertidumbre en la mente del autor: “Possible Existence of a Neutron”. Pocos meses después, en junio de ese mismo año, Chadwick publicó otro artículo en el que parece despojado ya de las nubes de la duda. En “The existence of a neutron”, el físico demostraba la existencia de esta partícula básica, que junto a protones y electrones componen el átomo. Con este descubrimiento concluía, al menos hasta ese momento, una de las búsquedas más largas y complejas en la historia de la ciencia: la estructura del átomo, la esencia de la materia. En 1935, Chadwick recibió el premio Nobel de física por su descubrimiento.

Diez años después de la publicación de los artículos de Chadwick, el 2 de diciembre de 1942, los físicos Enrico Fermi y Leó Szilárd llevaron a cabo en la Universidad de Chicago la primera reacción de fisión nuclear en cadena de forma controlada. En estas reacciones se produce una lluvia de neutrones de alta energía que, a su vez, vuelven a iniciar la reacción de fisión liberando más neutrones y así sucesivamente. A partir de aquel frío invierno, las partículas quedaron intrínsecamente ligadas a la tecnología de la fisión nuclear, que vive en la ambivalencia de ser a la vez imprescindible y terrible para la humanidad: con ella se genera electricidad en las centrales nucleares; a ella se debe la capacidad de destrucción del armamento nuclear que vuelve a tener en vilo al mundo.

Sin embargo, en la década de los 60, la especial naturaleza de los neutrones les permitió comenzar una nueva vida con la construcción de las primeras fuentes de neutrones con fines puramente científicos, no de producción de energía ni fabricación de armamento militar. De masa parecida a la del protón, los neutrones tienen la peculiaridad de carecer de carga eléctrica por lo que pueden atravesar imperturbables las fuerzas eléctricas que rodean a los núcleos y penetrar en la materia, revelando los detalles más íntimos de su interior sin dañarla. Las fuentes de neutrones, como la ESS que está construyéndose en Lund, generan haces de estas partículas que funcionan de forma parecida a las radiografías, pero, en lugar de iluminar con rayos X, corrientes formadas por millones y millones de neutrones revelan la intimidad del ala de un avión, la batería de un móvil, una proteína de un virus, o el silencio de una cerámica antigua. Por las dimensiones y la complejidad de estas instalaciones, vendrían a ser una especie de microscopios gigantes.

Una lámpara de neutrones

La historia de las fuentes de neutrones es intensamente política -el propio Chadwick pasó la Primera Guerra Mundial en un campo de concentración cerca de Berlín acusado de espionaje-. En la década de los 60, Estados Unidos, Rusia y Europa luchaban por liderar el desarrollo tecnológico que tan decisivo había sido en las guerras mundiales previas. En 1966, los estadounidenses inauguraron el reactor nuclear de investigación HFIR (High Flux Isotope Reactor) en el Oak Ridge National Laboratory, en Tennessee (EE.UU.), creado como parte del proyecto Manhattan bajo el trabajo de los científicos Clifford Shull y Ernest Wollan. De forma simultánea, Bertram Brockhouse en el Laboratorio Nuclear de Chalk River, en Ontario, Canadá, trabaja en experimentos de neutrones similares. Shull, Wollan y Brockhouse descubrieron la capacidad de producir imágenes de las estructuras moleculares sobre las que se hacían incidir estos haces de neutrones. Se trataba de una nueva forma de explorar los materiales y sus cualidades que no podían ser conseguidas con otros métodos, una “lámpara de neutrones”, por la que Shull y Brockhouse recibieron el premio Nobel de Física.

Un año después de la inauguración del HFIR, en 1967, el canciller Adenauer y el general De Gaulle firmaron un acuerdo de colaboración  científica con el propósito de evitar futuros conflictos bélicos entre Alemania y Francia. Incluía la construcción de una fuente europea de neutrones que compitiera con la estadounidense. Dos años después comenzó a construirse el Instituto Laue-Langevin conocido habitualmente como ILL, en Grenoble, Francia, que pronto, en 1971, comenzó a producir sus primeros neutrones. Tanto el ILL, con el que España comenzó a colaborar en 1987, como el HFIR son reactores nucleares de fisión para investigación, el primero opera a 58 megavatios y el segundo a 85 megavatios -los reactores nucleares comerciales que generan energía son mucho más potentes-. Para producir una fuente de neutrones más brillante y potente que no llevara el pesado bagaje de los reactores de fisión, los científicos siguieron buscando otras formas de generar los preciados neutrones.

Así, en 1985 entró en funcionamiento ISIS, en Oxfordshire, Inglaterra, el primer acelerador lineal de protones para producir neutrones en un proceso llamado espalación, más potente, que se extendió rápidamente por el mundo. Japón construyó un reactor de neutrones de menores prestaciones, el JAERI, y la fuente de neutrones por espalación JPARC. En 2006, el Oak Ridge Laboratory de EE. UU. inauguró otra fuente de neutrones, el Spallation Neutron Source, con veinte instrumentos. 

Para mantener el liderazgo, Europa decidió la construcción de la fuente de espalación más ambiciosa y amplia del mundo, la Fuente Europea de Neutrones por Espalación, o ESS. Trece países de Europa participan en el ambicioso proyecto de 1.843 millones de euros, entre ellos Suecia y Dinamarca como anfitriones, y también España, Alemania, Francia y Hungría. Tras un largo camino que comenzó a principios de la década de los 90, en mayo de 2009 se anunció la selección del emplazamiento en Lund, Suecia, con el apoyo negociado de las candidaturas española, que había propuesto la ciudad de Bilbao para acoger la instalación, y Hungría, que había ofrecido Debrecen. Después de un arduo camino de más de veinte años, la ESS comenzó a construirse en 2014 y generará haces de neutrones 100 veces más brillantes que os que ya existen. “En términos sencillos, la diferencia entre las fuentes de neutrones actuales y el ESS es algo así como la diferencia entre hacer una foto al resplandor de una vela o utilizar una linterna", explica la web de la ESS, que se prevé que entre en funcionamiento a finales de 2027.

Esta especial mirada de los neutrones al interior de la materia, tan diversa y compleja como el motor de un coche en funcionamiento o la soledad de una tumba egipcia, ayudará, según la ESS, a “diseñar nuevos materiales que podrían dar lugar a mejores baterías o materiales de ingeniería más resistentes, o ayudar a los investigadores de ciencias de la vida a desarrollar nuevas vacunas o medicamentos más eficaces. Con la ayuda de los neutrones, los científicos podrán comprender los materiales y la materia a un nivel más profundo que nunca. Prevemos que hasta 3.000 investigadores de todo el mundo acudirán aquí cada año para realizar experimentos. Con el tiempo, muchos de ellos conducirán a una ciencia nueva y transformadora en los campos de las ciencias de la vida, la ingeniería, la investigación energética, los materiales y muchos más. La ESS hará avanzar la ciencia para que las generaciones futuras puedan prosperar.”

Son objetivos ambiciosos. Para ello, la instalación contará con quince instrumentos desarrollados y construidos por equipos científicos y  tecnológicos de toda Europa. España participa en esta especial fuente de neutrones a través del Centro de Tecnologías Neutrónicas ESSBilbao, un consorcio público de los gobiernos central y vasco que concentra las contribuciones en especie españolas. ESS Bilbao se encarga del diseño y fabricación de distintas partes del acelerador, de varios elementos del corazón de la instalación, el llamado blanco o target, y del instrumento Miracles, que realizará estudios de polímeros y materias blandas condensadas.

El viaje del neutrón

Helmut Schobel, físico alemán, es el director general de la ESS desde mayo de 2021. Con motivo de la celebración del 31 aniversario de la colaboración entre el Instituto Laue-Langevin, que previamente dirigió, Schobel utiliza una metáfora para explicar lo que ocurre cuando se hace incidir un chorro de neutrones sobre un material: “Digamos que los neutrones viajan por una autopista y cuando pones tu muestra en el haz, en la autopista, las direcciones y la velocidad de los neutrones cambian: rebotan contra los núcleos y van más lentos o se aceleran. Entonces medimos la desviación del neutrón en términos de dirección y de velocidad”. Podría interpretarse como un viaje en el que el neutrón acumula información de todo lo que ve a lo largo de su trayectoria por las capas de miles de millones de átomos que forman un material. “La dirección en la que se dispersará está determinada por todo lo que ha experimentado, por cada una de las interacciones con las partículas que se ha encontrado en la autopista. Así, obtenemos información no sobre partículas individuales, sino sobre el conjunto del material”, dice Schober. Los neutrones pueden detectar pequeñas estructuras de hasta milmillonésimas de metro, pero también cambios rapidísimos, de milmillonésimas de segundo, que ocurren en su interior; es decir, la dinámica del material: ver dónde están los átomos y qué están haciendo. Por esta facilidad de penetrar en la materia se pueden utilizar para estudiar muestras de materiales en condiciones extremas, como temperaturas o presiones muy elevadas, de gran utilidad, por ejemplo, en estudios geofísicos de predicción de terremotos. Y también, dada su neutralidad eléctrica, se pueden utilizar para estudiar el comportamiento magnético de materiales que forman parte de componentes clave de nuestra vida como ordenadores, coches, móviles…

“Los neutrones que queremos usar tratan de tener al menos un protón, o varios, como compañeros. Se sienten extremadamente cómodos en un núcleo. Para aislarlos debes liberarlos de este agarre lo que requiere esfuerzo, energía: o tienes un núcleo cerca de la inestabilidad, como el uranio 235, y lo separas mediante el proceso de fisión y produces neutrones, o usas una partícula altamente energética como un protón, la aceleras a altas energías, la disparas contra un núcleo y liberas neutrones. Es lo que se llama proceso de espalación”, explica Schobel. Los protones acelerados llegan a alcanzar el 96 % de la velocidad de la luz, o lo que es lo mismo, podrían dar la vuelta a la Tierra en décimas de segundo. La ESS de Lund se basa en este concepto de espalación o astillado.

El corazón de la ESS

En concreto, la instalación está formada por un acelerador lineal de partículas, un blanco o target de metal pesado (en este caso, tungsteno), que ya ha terminado de fabricar el centro de tecnologías neutrónicas ESS-Bilbao, y un centro de datos y software situado en la Universidad de Copenhague. De forma un tanto esquemática, su funcionamiento es el siguiente: se calienta con campos electromagnéticos una fuente de iones llena de gas de hidrógeno. En estas condiciones, los electrones se desprendan de las moléculas del gas y dejan libres a los protones que posteriormente se aceleran con la ayuda de campos electromagnéticos adicionales en un acelerador lineal subterráneo de seiscientos metros de longitud. Los protones corren desbocados por el acelerador a casi la velocidad de la luz y, al llegar al blanco giratorio, chocan violentamente contra él. El blanco, corazón de la ESS, es una rueda formada por 7.000 minúsculos ladrillos reflectantes de tungsteno. Como los choques contra la rueda son tan fuertes, consiguen separar los neutrones de los núcleos de tungsteno, de ahí el nombre de espalación o astillado del proceso, en una proporción de unos veinte o treinta neutrones por cada protón. Cuantos más neutrones se produzcan en la colisión contra el blanco, más "brillante" serán los haces de neutrones que se produzcan. Por sus especiales características, la ESS será hasta 100 veces más brillante que otras fuentes de espalación existentes.

Los neutrones liberados son demasiado rápidos y energéticos para ser utilizados directamente en experimentos, así que lo siguiente es desacelerarlos hasta aproximadamente la velocidad del sonido haciéndoles pasar a través de moderadores llenos de agua o hidrógeno líquido. Tras este frenado, las corrientes de neutrones ya pueden dirigirse a través de líneas de haz a los distintos instrumentos especializados en áreas concretas: biomedicina, ciencia de materiales, ingeniería, arte…

Las aplicaciones de este ingenio son muchísimas. En los más de cincuenta años de funcionamiento del ILL se han llevado a cabo experimentos tan diversos como el análisis de fármacos para bloquear una enzima responsable de la maduración del VIH; estudiado células de iones de litio de coches eléctricos; medido el efecto de contaminantes, como nanopartículas de carbono en los pulmones; revelado ciertos mecanismos físicos del Alzheimer... En ISIS se estudiaron los materiales de las alas del gigante aéreo A-380. Cuando se concluya, la ESS contará con quince estaciones experimentales que podrán ampliarse hasta 22, y posiblemente más en el futuro.