Al mirar en los núcleos de los espejos, los físicos ven parejas inesperadas

El núcleo atómico es un lugar ocupado. Sus protones y neutrones constituyentes a veces chocan y se alejan volando brevemente con un gran impulso antes de juntarse como los dos extremos de una banda elástica estirada. Usando una nueva técnica, los físicos que estudian estas colisiones energéticas en núcleos ligeros han descubierto algo sorprendente: los protones chocan con sus contrapartes de protones y los neutrones con sus contrapartes de neutrones con más frecuencia de lo esperado.

El descubrimiento fue realizado por un equipo internacional de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, utilizando la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos de la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson (Laboratorio de Jefferson) del DOE en Virginia. Se informó en un artículo publicado hoy en la revista La naturaleza.

Comprender estas colisiones es importante para interpretar datos de una amplia gama de experimentos físicos que estudian partículas elementales. También ayudará a los físicos a comprender mejor la estructura de neutrón estrellas: núcleos colapsados ​​de estrellas gigantes que se encuentran entre las formas de materia más densas del universo.

John Arrington, científico de Berkeley Lab, es uno de los cuatro portavoces de la colaboración, y Shujie Li, el autor principal del artículo, es un posdoctorado de Berkeley Lab. Ambos son parte de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab.

Los protones y los neutrones, las partículas que forman los núcleos atómicos, se denominan colectivamente nucleones. En experimentos anteriores, los físicos estudiaron las colisiones energéticas de dos nucleones en un puñado de núcleos que van desde el carbono (con 12 nucleones) hasta el plomo (con 208). Los resultados fueron consistentes: las colisiones protón-neutrón representaron casi el 95 % de todas las colisiones, y las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón representaron el 5 % restante.

El nuevo experimento en Jefferson Lab estudió las colisiones en dos «núcleos espejo» con tres nucleones cada uno, y descubrió que las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón eran responsables de una proporción mucho mayor del total: alrededor del 20%. «Queríamos hacer una medición mucho más precisa, pero no esperábamos que fuera drásticamente diferente», dijo Arrington.

Usar una colisión para estudiar otra

Los núcleos atómicos a menudo se representan como grupos compactos de protones y neutrones pegados, pero estos nucleones, de hecho, se orbitan constantemente entre sí. «Es como el sistema solar pero mucho más poblado», dijo Arrington. En la mayoría de los núcleos, los nucleones pasan alrededor del 20% de su vida en estados excitados de alto impulso resultantes de las colisiones entre dos nucleones.

Para estudiar estas colisiones, los físicos golpean los núcleos con haces de electrones de alta energía. Al medir la energía y el ángulo de retroceso de un electrón disperso, pueden deducir qué tan rápido debe haberse movido el nucleón que golpeó. «Es como la diferencia entre hacer rebotar una pelota de ping-pong en un parabrisas en movimiento o en un parabrisas fijo», dijo Arrington. Esto les permite detectar eventos en los que un electrón se ha dispersado de un protón de alto impulso que ha colisionado recientemente con otro nucleón.

En estas colisiones electrón-protón, el electrón entrante contiene suficiente energía para expulsar completamente el protón ya excitado del núcleo. Esto rompe la interacción de tipo elástico que normalmente mantiene unido al par de nucleones excitados, de modo que el segundo nucleón también escapa del núcleo.

En estudios previos de colisiones de dos cuerpos, los físicos se centraron en eventos de dispersión en los que detectaron el electrón que rebota con los dos nucleones expulsados. Al etiquetar todas las partículas, pudieron contar el número relativo de pares protón-protón y pares protón-neutrón. Pero tales eventos de «triple coincidencia» son relativamente raros, y el análisis requirió una cuidadosa consideración de las interacciones adicionales entre los nucleones que podrían sesgar el recuento.

Los núcleos de espejo mejoran la precisión

Los autores del nuevo trabajo han encontrado una forma de establecer el número relativo de pares protón-protón y protón-neutrón sin detectar los nucleones expulsados. El truco consistía en medir la dispersión de dos «núcleos espejo» con el mismo número de nucleones: tritio, un raro isótopo de hidrógeno con un solo protón y dos neutrones, y helio-3, que tiene dos protones y un solo neutrón. El helio-3 se parece al tritio con protones y neutrones intercambiados, y esta simetría permitió a los físicos distinguir las colisiones que involucran protones de las que involucran neutrones al comparar sus dos conjuntos de datos.

El esfuerzo del núcleo del espejo comenzó después de que los físicos de Jefferson Lab planearan desarrollar una celda de gas de tritio para experimentos de dispersión de electrones, el primer uso de este isótopo raro y quisquilloso en décadas. Arrington y sus colaboradores vieron una oportunidad única de estudiar las colisiones de dos cuerpos dentro del núcleo de una manera nueva.

El nuevo experimento pudo recopilar significativamente más datos que los experimentos anteriores porque el análisis no requirió eventos raros de triple coincidencia. Esto permitió al equipo mejorar la precisión de las mediciones anteriores por un factor de diez. No tenían motivos para esperar que las colisiones de dos nucleones funcionaran de manera diferente en el tritio y el helio-3 que en los núcleos más pesados, por lo que los resultados fueron bastante sorprendentes.

Los misterios de la fuerza fuerte permanecen

La fuerza nuclear fuerte se entiende bien en el nivel más fundamental, donde gobierna partículas subatómicas llamadas quarks y gluones. Pero a pesar de estas bases sólidas, las interacciones de partículas compuestas como los nucleones son muy difíciles de calcular. Estos detalles son importantes para analizar datos en experimentos de alta energía que estudian quarks, gluones y otras partículas elementales como los neutrinos. También son relevantes para la forma en que interactúan los nucleones en las condiciones extremas que prevalecen en las estrellas de neutrones.

Arrington tiene una idea de lo que podría estar pasando. El proceso de difusión dominante dentro de los núcleos ocurre solo para protón-pares de neutrones. Pero la importancia de este proceso frente a otros tipos de difusión que no distinguen protones de neutrones puede depender de la separación media entre nucleones, que tiende a ser mayor en núcleos ligeros como el helio-3 que en núcleos más pesados.

Se necesitarán más mediciones utilizando otros núcleos ligeros para probar esta hipótesis. “Claramente, el helio-3 es diferente del puñado de núcleos pesados ​​que se han medido”, dijo Arrington. «Ahora queremos impulsar mediciones más precisas en otras luces núcleos dar una respuesta definitiva. »