Hace mucho tiempo en una galería muy profunda…

¿Es esto la vida real? 
¿Es esto simplemente fantasía? 
Atrapado en un túnel 
No hay escape de la radiactividad
Analiza tu espectrómetro 
Mira el ruido y observa 
Sólo soy un joven estudiante 
No necesito rayos cósmicos 
Porque ocultan lo que busco
Roca por arriba, plomo por doquier 
No me importa de qué lado venga el neutrino.

Si eres lo bastante mayor (o no), al leer esa estrofa de una famosa canción, quizás te venga una melodía a la cabeza. He adaptado el comienzo de una canción que sonaba constantemente en mi casa en la época de la historia que os voy a contar.

¿Ya la has reconocido?

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Te dejo una pista bohemia.

Nos trasladamos al año 1985.

En la Facultad de Ciencias de la Universidad de Zaragoza se plantean realizar un experimento atrevido que permita discernir la naturaleza misma del Universo.

Es un experimento que quiere detectar sucesos muy poco probables. Tan poco que es casi imposible diferenciarlo del ruido natural que siempre acompaña a cualquier lectura de un equipo electrónico.

Era necesario buscar un lugar donde se redujera el fondo de radiación natural que nos rodea. Por que, sí, a nuestro alrededor hay radiación natural que haría casi imposible «ver» lo que se quería buscar (de momento mantendré el suspense de qué se quería buscar).

Era como si intentáramos oír lo que dice nuestra pareja mientras Brian May tañera su «Red Special» durante su interpretación de «We will rock you» en el Estadio de Wembley.

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Intentar detectar lo que se buscaba era muchísimo más difícil que oír el susurro de alguien en un concierto de rock.

Imposible, ¿verdad? Hay que irse a un sitio silencioso.

La radiación natural que afecta a cualquier experimento de física de partículas se puede clasificar en dos tipos: dos extrínsecos y uno intrínseco.

Las fuentes extrínsecas de radiación son:

  • La radiactividad natural de las paredes, suelo, techos y estructuras del laboratorio donde pongamos el detector.
  • La radiación cósmica proveniente desde fuera de la Tierra.

La fuente intrínseca es la que se origina por el propio material del detector, blindajes, equipos, etc.

Las fuentes intrínsecas las vamos a tener vayamos donde vayamos. Se podrán reducir como veremos, pero, no dependen de la ubicación del laboratorio.

Para reducir las extrínsecas es necesario buscar el lugar adecuado.

Vamos a introducir algunos conceptos necesarios que nos ayudarán a entender el problema de la radiación natural para estos experimentos.

La radiactividad natural se origina porque en cualquier roca o mineral siempre hay trazas de algunos elementos que se desintegran de modo natural en otros cuya estado energético es menor.

Radiactividad
Evento genérico de radiactividad:
Un núcleo emite partícula(s) y fotones(Energía).

El fenómeno de la radiactividad, al ser un proceso cuántico, es un proceso probabilístico. Si solo tenemos un núcleo individual inestable no podremos nunca saber el tiempo que va a tardar en desintegrarse.

Pero sí podemos saber cuántos (no cuáles) núcleos se desintegrarán en una muestra que tenga muchos núcleos.

Se define un valor para medir lo que vive, en promedio, un núcleo de un átomo en una muestra radiactiva.

La vida media de un radioisótopo es el tiempo necesario para que el número de núcleos de una muestra se reduzca un factor e (2.71828).

Si no nos gusta usar ese factor (con lo natural que es el número e en las matemáticas), podemos usar el concepto de periodo de semidesintegración, que se define como el tiempo que ha de pasar para que el número de núcleos de la muestra se haya reducido a la mitad (factor 2).

Es decir, que según va pasando el tiempo debería ir disminuyendo la radiactividad pues nos quedarán menos núcleos radiactivos hasta que, pasado un tiempo suficientemente largo, no quedara ninguno.

Eso estaría bien si en lo que se desintegra un núcleo no fuera, en ocasiones, también radiactivo.

Ahora vamos a introducir el concepto de cadena de desintegración.

Una cadena de desintegración es el conjunto de radioisótopos que se generan durante el proceso mediante el cual un isótopo radiactivo decae en otro isótopo (llamado hijo), y éste a su vez decae o se desintegra en otro isótopo y así sucesivamente hasta alcanzar un isótopo estable.

Hay 4 cadenas de desintegración naturales. Las que más nos interesan son las del U238 (T1/2=4.468·109 años) y la del Th232 (T1/2=1,405·1010 años)

La cadena del U235 tiene un impacto mínimo ya que la concentración de este isótopo del Uranio es solo del 7 por mil en la naturaleza.

La cadena del Np237 no está presente en la naturaleza ya que los isótopos que aparecen tienen una vida media muy inferior a la vida de la Tierra (aunque se puede generar en los laboratorios).

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Cadena de desintegración del U238.

Como puede interpretarse del dibujo, según pasa el tiempo vamos teniendo una concurrida familia de núcleos radiactivos (algunos viven muy poco pero se van reponiendo constantemente) que están generando radiación y por consiguiente, ruido en los detectores.

El tercer componente en importancia en la radiactividad natural es la existencia del potasio K40, un elemento que se encuentra en casi todos los materiales tanto naturales como artificiales (T1/2=1.3·109 años).

Y por último, una huella de la actividad humana del siglo XX, el Cobalto Co60, que va asociado al hierro Fe manufacturado aunque su período de semidesintegración es casi despreciable frente a los naturales (T1/2=5.3 años).

La otra fuente generadora de ruido son los rayos cósmicos, partículas cargadas de alta energía cuyo origen es extraterrestre y que al atravesar la atmósfera y colisionar con los átomos que la componen, originan cascadas de partículas que llegan a la superficie de la Tierra y algunas de ellas penetran cierta profundidad.

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Los rayos cósmicos producen una cascada de partículas en la atmósfera terrestre.

De ahí la importancia de poner roca entre el detector y toda la cascada de partículas que nos llega desde «arriba».

Así que mis profesores, Angel Morales (1935-2003†), Julio Morales (1948-2009†), Rafael Núñez-Lagos, José Antonio Villar (1956-2017†) y Jorge Puimedón se plantearon buscar el mejor sitio posible a una distancia «razonable» del Centro del Universo, es decir, Zaragoza (con permiso de Bilbao).

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«En busca de la cueva perdida»

El primer emplazamiento a analizar era un lugar muy próximo a Zaragoza (30 km).

A esa distancia se encuentra la localidad de Remolinos. En su término municipal se encuentran unas minas de sal que, probablemente fueron explotadas, con certeza, desde la época árabe aunque muy probablemente ya lo fueron en la época romana (Quédate con este dato. Volveremos a encontrarnos a los romanos y su metalurgia en esta historia).

Hago aquí un inciso para poner el mapa de España con los niveles naturales de radiación gamma. Se pueden apreciar claramente dónde no se debía ubicar el experimento…

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La Cordillera Central y el sur de Galicia no son un buen lugar para estos experimentos. El origen de esta radiación natural es la composición del suelo.

En estos dos zonas existen rocas ígneas (granito y basalto) en cuya composición se encuentran elementos radiactivos como el Radón.

Sin embargo, la sal ( NaCl, cloruro sódico fundamentalmente) es un mineral que emite poca radiación natural así que era un buen sitio donde empezar a medir.

El origen de estos depósitos de sal es la desecación de lagunas continentales (no de aguas marinas) durante el período del Mioceno (período geológico que abarca desde hace 23 millones años a 5 millones de años).

Al provenir de aguas no marinas, la concentración de Potasio es menor. Y la presencia de U238 y Th232 depende exclusivamente de los minerales encontrados por el agua al filtrarse por el terreno que se depositan en las arcillas que acompañan a la sal.

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Minas de Sal en Remolinos (Zaragoza)
Ibérica de sales ©Todos los derechos reservados

La galería de la mina era de 1 kilómetro de longitud. Se eligió un lugar a 200 metros de la entrada que estaba a una profundidad de 70 metros para realizar las primeras mediciones.

En la foto puede observarse que las galerías son planas lo que permitía el acceso con vehículo hasta el lugar donde se decidió montar el experimento.

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El Superconvertible del Profesor Locovich no era mejor que el 4 latas del Departamento de física atómica y nuclear.
Aquí ya modificada para circular por las vías del Canfranc.

Toma de medidas

Para la toma de datos se utilizó un detector de Germanio de 120 cc de volumen

DetectorGermanio

El detector de Germanio era básicamente un diodo P-I-N

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Un diodo P-I-N es una estructura de tres capas. La central (I) es un semiconductor puro. Las externas, un semiconductor tipo P (semiconductor dopado con átomos con menos e de valencia) y otro de tipo N (semiconductor dopado con átomos con más e de valencia).

La región I del detector es sensible a la radiación ionizante (radiación X y
γ).

Cuando un fotón energético interactúa (no me gusta decir colisiona) con la red cristalina de la zona I, libera un electrón (y a la vez se genera un hueco).

Al estar polarizada la unión, los portadores de carga (electrón y hueco) se dirigen hacia los electrodos P y N. La carga es proporcional a la energía depositada por el fotón. Esa carga se mide como una diferencia de potencial en los electrodos que, una vez amplificada, puede medirse.

Diode PIN
Un fotón genera un par electrón-hueco (¡ojo!, no electrón-positrón ;-)) que son arrastrados en el campo eléctrico del semiconductor polarizado inversamente.

Es necesario reducir la generación térmica de portadores de carga en el detector, por ello, éste debe refrigerarse con Nitrógeno líquido (77K  ~ -196ºC). Esa es la razón por la que estos detectores siempre van unidos a un vaso Dewar .

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Detector de Germanio unido a su vaso Dewar con nitrógeno líquido.
Foto de 1987.

Con el objeto de minimizar los eventos con neutrones, el detector de Germanio se rodeaba de Bórax (Tetraborato decahidratado de Sodio).

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Molécula de Bórax.
El gran número de moléculas de agua y la afinidad del Boro por los neutrones lo hacen una trampa perfecta.

Se tomaron medidas en tres situaciones:

  • Con el detector desnudo.
  • Con el detector rodeado de 10 cm de plomo.
  • Con el detector rodeado de 10 cm de bórax 10 cm de Plomo. El Bórax es una «trampa» para los neutrones inducidos por los rayos cósmicos a través de colisiones con fotones de alta energía.

tanto en la mina de Remolinos como en los sótanos del Laboratorio de la Facultad de Ciencias de Zaragoza.

Biblioteca
Confirmo para los incrédulos que cuando no había internet la documentación se buscaba en libros. Aquí, parte de la biblioteca del Departamento de Física atómica y nuclear de la Facultad de Ciencias de Zaragoza en 1985.

De la interpretación de las medidas se obtuvieron los siguientes datos:

  • Presencia importante de Pb214 y Bi214 en la mina (el triple que en el laboratorio. Eso indicaba que la cadena de desintegración del U238 se encontraba presente.
  • Presencia algo superior (30%) de K40 en la mina que en el Laboratorio.
  • Mayor presencia de Rn222 en el laboratorio que en la mina.

La presencia de la cadena del U238 en las arcillas de la mina excluyó a la mina de Remolinos como posible Laboratorio de Altas Energías.

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Espectro de fondo en la mina.
Detector desnudo.
Minaconplomo
Espectro de fondo en la mina.
Detector con 10 cm. de plomo..

Este hecho llevo a nuestros investigadores a buscar una ubicación más al Norte, hacia el Pirineo, lugar donde encontraron no una mina sino un túnel que se encontraba abandonado a su suerte por los avatares políticos y que serviría para que en unas galerías usadas como depósito de explosivos durante la guerra civil, naciera lo que más tarde ha sido el Laboratorio Subterráneo de Canfranc.

Pero esa historia será para la siguiente entrada. Y sí, hablaremos de romanos y maquis (y no. No es un plato japonés).

Esta primera entrada quiere ser un pequeño homenaje a tres de mis profesores que ya no están entre nosotros: Ángel Morales, Julio Morales y José Ángel Villar.

Fallecidos
De derecha a izquierda: Ángel, (¿?), José Ángel y Julio.
Ya forman parte de la radiación de fondo. Va por ellos.



Documentación

Medidas de la actividad de fondo en la mina de sal de Remolinos. Anales de Física, Serie B Vol.82 1986
Conversaciones con los protagonistas, particularmente con Jorge Puimedón.
Mis propios recuerdos.

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