Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (II): Los muchachos del Rad-Lab

«Para quienes tuvieron la suerte de estar cerca de Lawrence, tanto a nivel personal  como científico, él siempre parecerá un gigante entre los hombres.” Luis W. Alvarez

Continuación de la entrada «Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia (I): Nace el ciclotrón«

El primer modelo de ciclotrón  de Lawrence y Edlefson medía 11 cm de diámetro y aceleraba los iones de hidrógeno molecular a una energía de 80 keV (kiloelectronvoltios). Para el equipo de científicos de Lawrence la premisa estaba clara: cuánto más energéticas fuesen las partículas, más interesante sería la física que se crearía en el laboratorio. Así que, una vez probado el primer modelo, se apresuraron a construir un ciclotrón de 28 cm. En  la primavera de 1932, el dispositivo estaba acelerando protones hasta una energía de varios cientos de keV, que ahora sabemos que habría sido suficiente para aportar información de interés. Pero Lawrence y Livingston se habían fijado la meta del millón de electronvoltios y tenían demasiada prisa por alcanzarla. Por ello, no experimentaron con este ciclotrón sino que pasaron directamente a diseñar uno de mayor tamaño. El problema era que para aumentar las dimensiones se precisaba  más dinero y no era un buen momento para solicitarlo, ya que Estados Unidos aún sufría las consecuencias de la Gran Depresión. A pesar de que las Universidades se habían visto menos perjudicadas que otros segmentos de la sociedad, la propia Universidad de California, aún en 1933, tuvo que recortar en un tercio el presupuesto de investigación e impuso un programa de austeridad.

Afortunadamente, nuestro protagonista era una persona tremendamente persuasiva y todo un experto en buscar fondos así que logró patrocinadores para su nueva máquina: The Research Corporation y The Chemical Foundation.

El nuevo ciclotrón de 69 cm se construyó en un viejo edificio de madera de dos pisos, cercano a Le Conte Hall, el edificio del Departamento de Física en el que habían nacido los ciclotrones más pequeños. El Laboratorio de Radiación o Rad-Lab, derribado en 1959, marcó el punto de partida de lo que pasaría a llamarse la “Gran Ciencia” en la que se necesitaban grandes equipos multidisciplinarios de investigadores, equipamientos sofisticados, una estructura administrativa que coordinase las diferentes funciones e importantes aportaciones de capital. En este sentido, el viejo edificio fue el primer laboratorio de física nuclear moderna, donde los investigadores podían elegir entre colaborar en proyectos conjuntos o trabajar en los suyos propios, según considerasen más apropiado.

El edificio del Rad-Lab

El gran entusiasmo por la física que transmitía Ernest Lawrence se respiraba en el ambiente y permaneció en la memoria de todos los que tuvieron la fortuna de compartir la experiencia. La pasión por el desarrollo científico se traducía en trabajo duro. El laboratorio funcionaba las veinticuatro horas del día,  siete días a la semana y se consideraba que los que trabajaban «solo» setenta horas semanales no mostraban suficiente interés por la física. Los únicos periodos en los que estaba desierto eran durante las reuniones del «Journal Club» de Lawrence, los lunes por la tarde. En estas reuniones semanales los miembros del laboratorio intercambiaban ideas e información.

El ciclotrón de 69 cm del viejo laboratorio -más tarde convertido a 94 cm de diámetro polar- se empleó en el estudio de las transmutaciones artificiales inducidas por protones de alta energía. Después del descubrimiento del deuterio (átomo de hidrógeno con un protón y un neutrón en el núcleo) por Urey en 1932, se cambió el tipo de proyectiles y se observaron las primeras reacciones inducidas por deuterones. El problema era que los dispositivos de detección que se utilizaron en todos estos primeros experimentos eran cámaras de ionización y no tienen tanta sensibilidad a la radiación gamma, como los contadores Geiger.

El Grupo de Lawrence trató de fabricarlos en el Rad-Lab, pero todos adolecían de un excesivo ruido de fondo. Registraban una dosis superior a la esperada por el fondo de radiación natural, lo que atribuyeron a ruido electrónico debido a una baja calidad de su detector. Como consecuencia, tras varios intentos infructuosos de hacer detectores útiles, regresaron al uso de la cámara de ionización pero, en este caso, seguida por un amplificador lineal que aumentase la señal obtenida. Esta técnica entrañaba mayor dificultad, pero dominaban la electrónica asociada lo suficiente como para confiar en sus resultados. Finalmente, en el verano de 1932, dos amigos de Yale, Donald Cooksey y Franz Kurie, trajeron contadores Geiger que habían pasado los controles de calidad, en Berkeley, y los conectaron al ciclotrón, pudiendo reemprender las observaciones.

Matrimonio Joliot-Curie

En 1934, con el descubrimiento de la radiactividad artificial por el matrimonio Joliot- Curie, Ernest Lawrence y sus colaboradores comprendieron que el ruido de fondo que aparecía en los contadores que habían hecho se debía a un alto nivel general de radiactividad artificial en todo el laboratorio. Se atormentaron pensando que habían tenido esas substancias radiactivas delante de sus narices durante más de medio año sin darse cuenta. A su vez, también experimentaron una profunda frustración por no haber notado que las radiaciones no se extinguían inmediatamente después de acabar el bombardeo. Thornton, uno de los colaboradores más jóvenes, años más tarde recordaba que sintió que se les había escapado de las manos un descubrimiento histórico. Y lo peor es que, tal y como explicaron en la versión oficial, no lo habían observado  porque tenían conectado el ciclotrón y el contador Geiger al mismo interruptor. Después de enterarse del descubrimiento de la radiactividad artificial cambiaron el cableado y comprobaron el fenómeno. En realidad, a todos los miembros de la fraternidad de los aceleradores se les pasó por alto y esta inadvertencia era sintomática de la falta de fiabilidad general de todos los dispositivos de detección, junto a la gran complejidad de los propios aceleradores. Así pues, el Grupo del Ciclotrón estuvo bien acompañado en lo que a pérdida de descubrimientos se refiere.

De hecho, a los propios Irene Curie y Frederic Joliot se les escapó la existencia del neutrón que  Chadwick determinó a partir de los datos experimentales del matrimonio, la del positrón y a punto estuvieron de desestimar el cambio en la tasa de conteo de su primera fuente radiactiva artificial atribuyéndolo a un comportamiento errático de su contador Geiger. A partir de la comunicación del descubrimiento, todos los equipos de aceleradores que entonces operaban en el mundo detectaron decenas de especies radiactivas.

Otro fenómeno que se les escapó a los científicos que trabajaban en aceleradores fue el de la radiactividad inducida por neutrones descubierto por el físico italiano Enrico Fermi y sus colaboradores. 

Ernest Lawrence, desde el principio, sintió gran interés por la aplicaciones médicas y biológicas de las radiaciones del ciclotrón y de las sustancias radiactivas que producía, por ello, siempre dio especial relevancia al valor de la intensidad del haz (número de partículas por unidad de tiempo) y trabajó fervientemente para conseguir que todos sus aceleradores produjesen intensas corrientes de iones acelerados. Para un físico en el laboratorio el valor de la intensidad no era tan problemático, ya que si éste no era suficientemente elevado se podía recurrir al uso de detectores de mayor sensibilidad. Por el contrario, en medicina, el receptor es el paciente y si los niveles de radiación eran demasiado bajos, los efectos biológicos deseados no se producían. En 1937 ya había logrado aumentar la intensidad del ciclotrón hasta 100 microamperios (µA), a 8 millones de eV. Otros constructores de aceleradores de este período se quedaron con 1 µA a 1 millón de eV. Cada vez que los jóvenes científicos del laboratorio estaban seguros de que el ciclotrón había alcanzado su máxima intensidad, Lawrence encontraba el modo de que funcionase diez veces mejor de lo que nadie había sospechado. Fue el mejor operador de ciclotrón de este período, pudiendo conseguir más intensidad de haz que nadie.

El ciclotrón de 94 cm que fue empleado para aplicaciones médicas

Siguiendo sus deseos de profundizar en el campo de la física médica, fichó a su hermano John Lawrence para estudiar el uso de radioisótopos en la investigación biológica y médica y promovió su empleo como trazadores. Asimismo, incluyó en el programa médico del Laboratorio de los años 1938 y 1939, un día de tratamiento semanal a pacientes con cáncer terminal, con los neutrones del ciclotrón de 94 cm. El Rad-Lab también se comprometió a suministrar los materiales necesarios para los programas experimentales de muchos departamentos de la Universidad de California, sintiendo gran satisfacción con los descubrimientos logrados por los científicos de otras disciplinas. Fue el pionero en la colaboración entre físicos y biólogos que más tarde se generalizaría, cuando los isótopos radiactivos estuvieron ampliamente disponibles tras la construcción del primer reactor nuclear.

Lawrence había sido el primero en introducir la colaboración interdisciplinar en su laboratorio y ahora ampliaba la idea compartiendo los frutos de su arduo trabajo con los colegas de diferentes áreas científicas. Todos los grupos dedicados a aceleradores pudieron disfrutar de su maestría en obtener un constante aumento de la energía máxima de los haces acelerados. Pero, tal y como hemos visto, Lawrence consideraba que su gran logro había sido conseguir las mayores intensidades del haz. Señalaba que el descubrimiento del carbono-14, por Rubin y Kamen, no se hubiese podido conseguir en cualquier otro laboratorio con las técnicas entonces disponibles.

Por lo que al desarrollo de aceleradores se refiere, en 1939 pudo poner en marcha el ciclotrón de 152 centímetros, que instaló en el nuevo Laboratorio de Radiación Crocker, y en 1940, consiguió la autorización del ciclotrón de 467 centímetros y una donación de 1,25 millones de dólares de la Fundación Rockefeller para construirlo. Sin embargo, antes de que pudiese iniciar los trabajos del «ciclotrón gigante», como Ernest le llamaba, estalló la Segunda Guerra Mundial y asumió la responsabilidad de reunir a un grupo de jóvenes físicos nucleares para ayudar a los británicos a «luchar en la guerra científica.»

También persuadió a Lee DuBridge, para que dejase su propio ciclotrón en Rochester, y encabezase el embrionario Laboratorio de Radiación en el Instituto Tecnológico de Massachusetts. De su propio laboratorio reclutó a McMillan, Salisbury y Alvarez. El laboratorio de radiación del M.I.T. inició su andadura en Noviembre de 1940 y, desde entonces, ha realizado grandes contribuciones al desarrollo de la física. Durante su primer año, Lawrence lo visitó de forma periódica y se mantuvo al corriente de sus actividades pero pronto se hizo evidente que el laboratorio se sostenía por sí mismo y no necesitaba su supervisión.

Massachusetts Institute of Technology

En el verano de 1941, Lawrence tomó parte en el programa de guerra antisubmarina actuando, una vez más, como el principal agente de reclutamiento para los nuevos laboratorios de sonido, y convenció a McMillan para que  dejase el M.I.T. para ir a San Diego.

En septiembre de ese mismo año recibió la propuesta de Arthur Compton y James Conant para participar en la construcción de la bomba atómica. Tal y como contó Compton, después de dudar unos instantes, les respondió que si ellos le decían que ese era su trabajo, lo haría. Así que se dispuso a resolver el principal obstáculo con el que había tropezado el Proyecto Manhattan: la separación del isótopo uranio-235, necesario para la fabricación de la bomba, del uranio ordinario U-238.

Diagrama de la separación de los isótopos de uranio en el Calutron

Lawrence sugirió separarlos en base a la pequeña diferencia entre sus masas, ya que ésta haría que, como partículas cargadas, sufrieran deflexiones diferentes sometidas a un campo magnético. Para ello convirtió el ciclotrón de 94 centímetros y el imán de 467 centímetros en un espectrómetro de masas. En 1942 ya tenía un prototipo denominado Calutron (concatenación de Cal. U.-tron, en tributo a la Universidad de California). El general de la armada Norteamericana Leslie Groves ordenó construir calutrones a escala industrial y preparó una planta con 96 unidades en Oak Ridge, Tenesse. Los muchachos del Rad-Lab visitaban con frecuencia la planta para enfrentarse a las dificultades técnicas y solucionarlas. De hecho, de 1941 hasta 1945 trabajaron 24 horas diarias en este tema. Dadas las corrientes de iones requeridas en el Calutron, Lawrence comentó entre sus allegados que su gran preocupación por incrementar la intensidad del haz fue lo que había hecho posible el Proyecto Manhattan. No se trataba de una fanfarronada ni de un desprecio a los logros de los demás científicos. Dada su mucha experiencia lidiando con funcionarios gubernamentales de alto nivel, sabía que el proyecto no habría podido «venderse» a menos que hubiera una «manera segura» de obtener material fisionable, antes de que terminara la guerra. Y el Calutron había cumplido con dichas necesidades suministrando, casi en su totalidad, el U-235 empleado en la bomba de Hiroshima. Los procesos de difusión térmica y de difusión gaseosa contribuyeron sólo en una forma menor al proceso total de separación de los isótopos para la primera bomba.

Calutron

En el periodo de postguerra Lawrence pudo retomar las investigaciones que estaba llevando a cabo en tiempos de paz y persuadió al general Groves para que autorizase que los fondos del Proyecto Manhattan fuesen puestos a su disposición. Una vez concedido el aporte de capital, volvió a reunir al equipo de Berkeley de antes de la guerra con la incorporación de nuevos talentos. La primera decisión que tomó se refirió a su ciclotrón gigante, cuya fabricación se había visto interrumpida por la guerra. Lo reconvertiría en un sincrociclotrón. La parada forzosa había sido positiva ya que en ese tiempo McMillan en USA y Veksler en la URS habían desarrollado el sincrotrón que estaba formado por un anillo circular y requería campos eléctricos y magnéticos variables. Inspirándose en la base física de éste último diseñó su sincrociclotrón cuya frecuencia del campo eléctrico variaba para compensar los efectos relativistas. Utilizando protones como proyectiles, la energía se elevaría a 350 MeV, en lugar del anterior valor de diseño para el ciclotrón convencional que era de unos 70 MeV.

El sincrociclotron

El pequeño inconveniente era que nadie había construido un sincrociclotrón y desconocían a qué problemas deberían enfrentarse. Así que decidieron ser precavidos y reconstruir primero su viejo ciclotrón de 94 centímetros como sincrociclotrón.  Por fortuna, todo salió bien y contaron con el primer sincrociclotrón del mundo que resultó ser mucho más sencillo de construir y operar que el ciclotrón convencional que habían propuesto originalmente. Concluidas las pruebas iniciales, el sincrociclotrón de 467 centímetros aceleró, a finales de 1946, deuterones a 180 MeV y núcleos de helio a 360 MeV.

A partir de ese momento, las nuevas actividades del laboratorio fueron obra, principalmente, de los investigadores más jóvenes que dirigieron grandes proyectos contando, durante los primeros años de postguerra, con respaldo financiero ilimitado gracias al “cheque en blanco” del Proyecto Manhattan. Lawrence manifestaba un profundo interés por lo que hacían pero se mantenía a distancia, dejándoles claro que debían tomar sus propias decisiones y encontrar el método de resolver los problemas.

Con la terminación del sincrociclotrón de 467 centímetros, Lawrence pudo volver a dedicar todas sus horas a la investigación científica básica. Llevaba demasiado tiempo sin implicarse en ningún experimento en particular y se entregó con completa devoción a esta nueva etapa. No se limitó a investigar sobre física nuclear, sino que extendió su interés a los programas de fotosíntesis, física médica y química nuclear. Los muchachos del Rad-Lab que siempre lo habían visto como director, disfrutaban contemplando la pasión y dedicación que manifestaba, las horas que pasaba en el laboratorio cada noche y los fines de semana, cómo paseaba por otros laboratorios y hablaba con cada uno de los ayudantes de investigación o con los profesores visitantes. El personal se había multiplicado por cien pero todos se sentían miembros “del equipo de Ernest Lawrence», y no simples empleados del laboratorio de radiación.

En 1948, William Brobeck convenció al laboratorio de que un sincrotrón de protones podría alcanzar energías de Gigaelectronvoltios. Lawrence, asumió la responsabilidad de asegurar su financiación y se presentó ante  la Comisión de Energía Atómica para recabar fondos para el «Bevatron» que reportó importantes descubrimientos, como el del antiprotón.

Por lo que al armamento nuclear se refiere, después de que la Unión Soviética probase su primer artefacto nuclear, Lawrence abandonó su oposición a la bomba de hidrógeno auspiciada por el Presidente Truman y se embarcó en un gran proyecto de construcción de aceleradores lineales, para favorecer su desarrollo. El problema es que Lawrence pensaba tan a lo grande que el precio de su dispositivo generador de neutrones ascendía a la bonita cifra de veintiún millones de dólares de 1952, por lo que se eligió una fuente de neutrones más barata.  

Sin embargo el esfuerzo no cayó en saco roto. La fabricación de la bomba de hidrógeno era una empresa de gran envergadura y el laboratorio de Los Álamos ya no contaba con recursos personales para darle cabida. Por ello, Lawrence, propuso al comité de energía atómica la aprobación para establecer un segundo laboratorio de armas nacionales en Livermore, bajo la promesa de que el personal de Berkeley supervisaría el trabajo. Argumentó que el progreso científico se veía mermado por la falta de competencia de Los Álamos. Cuando cancelaron su proyecto para la bomba-H, el nuevo laboratorio ya estaba en marcha y fue un complemento de Berkeley hasta 1971, en que pasó a denominarse Laboratorio Lawrence Livermore.

Vista aérea del Lawrence Livermore National Laboratory

En 1954, la prueba de un dispositivo nuclear por parte de Estados Unidos provocó lluvia radiactiva más allá de los límites geográficos establecidos y se creó una gran controversia. Lawrence se mostraba a favor de las pruebas nucleares porque no creía que debieran dejar de hacerse si los rusos seguían practicándolas y, principalmente, porque creía que era un imperativo moral buscar bombas “limpias” que pudiesen utilizarse en una guerra nuclear sin causar las muertes que se producían hasta entonces por la lluvia radiactiva. Llegó incluso a exponer al presidente Eisenhower que la falta de desarrollo de tales armas constituiría un “crimen contra la humanidad”.

Su implicación en estos temas le valió el nombramiento como delegado americano de una Conferencia de Expertos Internacionales para estudiar una propuesta de Tratado con la Unión Soviética con el fin de prohibir las pruebas de armas nucleares. Durante la conferencia, sufrió un brote grave de la colitis crónica que padecía y fue trasladado de urgencia a un hospital de Standford para practicarle cirugía. Murió el 27 de agosto de 1958, a los 57 años de edad. Unos días antes de su muerte Eisenhower anunció una moratoria de las pruebas de armas nucleares por parte de Estados Unidos.

La herencia de Lawrence no son tan sólo sus múltiples descubrimientos, sino el impulso a una nueva manera de investigar, de enfrentarse a grandes retos con equipos interdisciplinarios: el inicio de la Gran Ciencia. 

 BIBLIOGRAFÍA

“Lawrence and His Laboratory: A Historian’s View of the Lawrence Years” J. L. Heilbron, Robert W. Seidel, y Bruce R. Wheaton.

“Early history of the lab” Glenn Seaborg

 “Ernesto Orlando Lawrence” Luis W. Alvarez

Los artículos de «Ernest Lawrence y los inicios de la Gran Ciencia» (I y II) han sido galardonados con el premio ED a la excelencia en la divulgación científica