El núcleo atómico más simple está formado por un solo protón. Todos los otros núcleos atómicos contienen neutrones además de protones. Existen unas 265 combinaciones posibles de protones y neutrones que son estables, y los núcleos atómicos formados por cualquiera de estas combinaciones permanecerán indefinidamente tal como están. Toda la materia común del Universo, incluyéndonos a usted y a mí, está formada por varias de estas combinaciones estables.
Existen miles de combinaciones de protones y neutrones, pero no obstante algunas no son estables, se dividen en otras para formar combinaciones estables. Algunas de estas divisiones ocurren rápidamente, otras muy despacio y algunas ocurren a cualquier velocidad.
Estos núcleos inestables son creados, en primer lugar, por hechos violentos, como las explosiones del tipo «supernova», y los únicos núcleos producidos de este modo que existen en la Tierra son aquéllos que se desintegran, una vez formados, a una velocidad muy lenta. Cantidades considerables de uranio o de torio tardan miles de millones de años en desintegrarse, por ejemplo, lo que explica que todavía existan átomos de uranio y de torio en la corteza terrestre.
Algunos núcleos inestables son producidos continuamente por los rayos cósmicos o por el bombardeo de los núcleos realizado por aceleradores de partículas fabricados por seres humanos. Estos núcleos casi siempre son inestables y se desintegran en pocos días, o incluso en pequeñas fracciones de segundo. Sin embargo, pueden ser estudiados en ese momento, lo que ha servido para calcular las reglas de la desintegración.
Cuando un núcleo se desintegra espontáneamente para convertirse en otro, eso ocurre porque el segundo núcleo requiere menos energía para permanecer unido. El núcleo que se desintegra despide energía, en otras palabras, y se establece como una combinación con menos energía. Es como una pelota que rodara cuesta abajo.
Un núcleo no puede desintegrarse espontáneamente para formar otro que contenga más energía; eso equivaldría a una pelota que rodara cuesta arriba. Una pelota no rodará cuesta arriba a no ser que la empujen, y un núcleo no se desintegrará para transformarse en una forma con más energía a no ser que se le inyecte energía (lo que requiere supernovas, rayos cósmicos o aceleradores de partículas).
Un núcleo puede desintegrarse de varias maneras. Cuando ninguna de estas formas transforma el núcleo en uno con menos energía, el núcleo simplemente no se desintegra: se mantiene estable. Los 265 núcleos estables que he mencionado más arriba son los que no pueden desintegrarse en combinaciones con menos energía.
Una forma común de desintegración tiene lugar cuando el núcleo posee demasiados neutrones. En este caso, el neutrón es capaz de transformarse espontáneamente en protón. Este cambio casi siempre disminuye el contenido de energía del núcleo y produce una combinación estable.
Sin embargo, un neutrón no tiene carga eléctrica. Existen dos tipos de cargas eléctricas, una positiva y otra negativa, pero el neutrón tiene la misma cantidad de ambas, y por lo tanto es «neutral» (de ahí su nombre).
El protón, naturalmente, tiene carga positiva. Para que un neutrón se convierta en protón, por lo tanto, tiene que perder la parte negativa de la carga que lleva. Esta carga negativa se emite como un electrón veloz (también llamado «partícula beta»).
Tomemos el caso del núcleo conocido como selenio-82, que está formado por treinta y cuatro protones y cuarenta y ocho neutrones (lo que suma un total de ochenta y dos partículas, de ahí su nombre). Si el selenio-82 libera una partícula beta, uno de los neutrones se convierte en protón y termina teniendo treinta y cinco protones y cuarenta y siete neutrones, que es el bromo-82. Pero el bromo-82 contiene más energía que el selenio-82, de modo que el selenio-82 no puede liberar una partícula beta. Sería como rodar cuesta arriba si lo hiciera; y como no puede hacerlo, es estable.
El bromo-82 sí es inestable, porque libera una partícula beta, y uno de sus neutrones cambia a protón. Termina teniendo treinta y seis protones y cuarenta y seis neutrones, lo que es el criptón-82, que contiene menos energía que el bromo-82.
La cuestión es, de todos modos, que el criptón-82 también tiene un poco menos de energía que el selenio-82. Si el selenio-82 libera dos partículas beta al mismo tiempo, se convertirá en criptón-82. Esto sería una «pérdida doble de beta», y es difícil que suceda. Un neutrón determinado del núcleo del selenio-82 puede estar preparado para liberar una partícula beta, pero no puede hacerlo. U otro podría, y no puede. Sólo muy raramente dos neutrones están preparados para explotar en la misma fracción de segundo.
Pero, en física subatómica, como en la Alemania nazi, cualquier cosa que no esté prohibida es obligatoria. Para el núcleo de selenio-82 es como ir cuesta abajo; y como ir cuesta abajo no está prohibido, es obligatorio. El núcleo de selenio-82 debe liberar dos partículas beta, aunque esto ocurra rara vez.
En 1974, un físico de la Universidad de California, Michael K. Moe, hizo pruebas con rocas muy antiguas que contenían átomos de selenio-82. En mil millones de años o más, algo del selenio-82 debió de haberse transformado en criptón-82, y debía de haber pequeños restos de criptón-82. Buscó el criptón-82 (que es un gas) y encontró pequeñas muestras.
Esto significó que la desintegración del tipo doble beta ocurre. Era sólo cuestión de detectarla. Si Moe pudiera reunir en un lugar tanto selenio-82 como fuera posible, quizá podría registrar un núcleo en el momento de liberar dos electrones.
Juntó alrededor de media onza de selenio-82 y durante años trató de captar el momento en que se producía la desintegración.
El problema era que ocurrían toda suerte de cosas distintas. Había rayos cósmicos y bombardeo de neutrones y radioactividad común aquí y allá. No en mucha cantidad, pero suficiente como para impedir la desintegración ocasional del tipo doble beta.
Moe y sus colaboradores trabajaron para reducir el «ruido» y diseñaron mecanismos detectores que fueran sensibles sólo a la desintegración doble beta. Finalmente, en 1986, comenzó a detectar la emisión del doble electrón. Sucede tan raramente que la mitad de cualquier cantidad de selenio-82 se desintegraría sólo en cien trillones de años —la «media vida» más larga que se haya medido—. Pero aún así, Moe estudiaba tantos cuatrillones de núcleos que obtendría una desintegración de esta índole una vez cada tres o cuatro días. Después de todo, no está prohibido. De modo que es obligatorio.