Aprendendo física con Lego

Quen non xogou con LEGOS na súa infancia? Con pequenos bloques de cores de plástico pódese crear todo un mundo cuxo límite é a imaxinación. Polo seu valor didáctico e visual, o IGFAE desenvolveu este proxecto que consistiu no deseño e construción dunha carta nuclear tridimensional e réplicas de experimentos reais de física nuclear e detectores de física de partículas. Estes últimos deseñáronse como as caixas de LEGO reais, incluíndo instrucións de montaxe e unha pequena explicación do seu propósito e a física que investigan. Tanto a carta nuclear, que se atopa exposta na entrada do IGFAE, como os kits de LEGO, utilízanse en diversas actividades divulgativas: xornada de portas abertas “Ciencia Singular”, talleres científicos, feiras educativas…

Unha carta nuclear ou gráfica de nucleidos é unha representación bidimensional das propiedades nucleares e radioactivas de todos os átomos. Nucleido é o nome xenérico dos átomos caracterizados polos protóns e neutróns constituíntes. A carta nuclear organiza os nucleidos de acordo con Z, o número de protóns (eixo vertical) e N, o número de neutróns (eixo horizontal) no núcleo. Cada nucleido no gráfico está representado por un cadrado que contén o símbolo do elemento, número másico, vida media, tipos e enerxías de desintegración, etc.

Números máxicos

En física nuclear, un número máxico é un número de protóns ou neutróns (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) que dan lugar a unha capa completa no núcleo atómico. Por exemplo, o chumbo 208, con 82 protóns e 126 neutróns, chámase “dobremente máxico” xa que tanto o número de protóns como o de neutróns son números máxicos. Estes están representados con liñas negras e azuis na figura superior.

Desintegracións radioactivas

A desintegración radioactiva espontánea dun núcleo é o proceso polo cal o núcleo atómico inestable emite radiación para volverse máis estable. Para conseguilo, libera enerxía en forma de partículas (por exemplo, alfa ou beta), radiación gamma, ou unha combinación destas.

A carta nuclear con LEGO

A carta nuclear deseñada e construída polo IGFAE durante dous anos con 44.492 bloques de LEGO ten unha terceira dimensión no eixo vertical, que representa a enerxía de ligadura por nucleón. Esta determina a estabilidade dun núcleo e cuán “pegados” están os nucleóns no núcleo. Os nucleóns agrupados posúen un valor de enerxía menor que se se lles considerase por separado, o que se denomina “defecto de masa”. A enerxía de ligadura defínese como a diferenza entre a suma dos compoñentes por separado e eses compoñentes agrupados formando un núcleo. No centro da carta de núcleos atópase o coñecido “val da estabilidade”, onde se atopan os nucleidos cos menores valores de enerxía de ligadura por nucleón.

A estabilidade nuclear é o equilibrio entre as forzas de repulsión eléctrica dos protóns e a forza atractiva nuclear de curto alcance que experimentan os protóns e neutróns do núcleo. A relación entre o número de protóns (Z) e neutróns (N) é por tanto clave para a estabilidade do núcleo.

ACTAR-TPC (Active Target & Estafe Projection Chamber) é un detector do Gran Acelerador Nacional de Ións Pesados (GANIL), en Francia, desenvolvido para estudos fundamentais en física nuclear, estudos de reaccións e estruturas nucleares, así como estudos de desintegración exótica e emisión de protóns. Comprender a estrutura e a dinámica nucleares a partir da forza forte subxacente descrita pola cromodinámica cuántica (QCD) é un dos principais desafíos da física nuclear actual. Os núcleos exóticos, con proporcións extremas de número de protóns ou neutróns, proporcionan un campo de xogo ideal para abordar cuestións crave en física nuclear e astrofísica.

ACTAR TPC como detective 

ACTAR tenta responder algunhas das seguintes preguntas: 

• Como cambia a estrutura dos núcleos coa temperatura, o isospín e o momento angular?
• Como une a forza forte aos nucleóns nos núcleos atómicos? 
• Cal é a orixe dos elementos na natureza?
• Cales son os procesos nucleares involucrados na evolución das estrelas? 

ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) é o maior dos catro grandes experimentos do Gran Colisionador de Hadróns (LHC) do CERN, o acelerador de partículas máis grande do mundo cun anel subterráneo de 27 km de diámetro. Con 46 m de longo e 25 m de alto, ATLAS observa colisións frontais entre protóns para estudar os fragmentos e novas partículas que se producen xusto despois. De cada 1.000 millóns de colisións que se producen cada segundo, só unhas poucas teñen as características especiais que poidan conducir a novos achados. Un dos máis famosos foi o bosón de Higgs, descuberto en 2012 por ATLAS e CMS.

A procura do descoñecido

O obxectivo de ATLAS é axudar a clarificar numerosos temas non resoltos sobre as orixes da materia e das forzas fundamentais da natureza:

• Por que a materia dominante no universo é a materia escura.
• Por que existe máis materia que antimateria no universo.
• Por que as partículas elementais teñen masas tan diferentes e como a conseguen.

CMS (Compact Muon Solenoid) é un dos detectores de partículas de propósito xeral do Gran Colisionador de Hadróns (LHC) do CERN. Con 12.500 toneladas, 21 m de longo e 15 m de alto, o obxectivo do experimento CMS é investigar unha ampla gama de física, incluído do bosón de Higgs, as dimensións extra e as partículas que poderían constituír a materia escura. Está formado por distintas capas, cada unha delas cun fin específico, que permiten identificar e medir con precisión as enerxías e os momentos das partículas producidas nas colisións de protóns.

Recoñecemento de patróns

As novas partículas producidas en CMS serán en xeral inestables e se desintegrarán rapidamente nunha fervenza de partículas máis lixeiras, máis estables e mellor coñecidas. As partículas que atravesan CMS deixan tras de si uns patróns característicos ou “pegadas”, nas diferentes capas permitindo a súa identificación. A presenza (ou non) de novas partículas pode ser inferida deste xeito.  

O experimento LHCb (Large Hadron Collider beauty) é outro dos detectores de partículas do Gran Colisionador de Hadróns (LHC) do CERN. Con 5.600 toneladas, 21 m de longo, 10 m de longo e 13 m de ancho, dedícase ao estudo do quark b ou quark beauty para pescudar as pequenas diferenzas entre a materia e antimateria no universo.

A antimateria non é ciencia ficción

Despois do Big Bang toda a materia tería que ser aniquilada pola súa homóloga, a antimateria, partículas coa mesma masa, pero con cargas de signo contrario. A natureza favoreceu a materia e unha fracción minúscula desta subsistiu. Observáronse pequenas diferenzas entre o comportamento de ambas, pero non é suficiente para explicar o exceso de materia no universo primitivo. Pode ser que esta diferenza entre materia e antimateria sexa só a punta do iceberg dunha nova física aínda por descubrir? O experimento LHCb deseñouse para resolver este misterio, recreando as condicións que se deron fai uns 13.700 millóns de anos cando se crearon, por parellas, os quarks e os antiquarks.