Nuevo experimento desafía la comprensión de las fuerzas nucleares

Predicciones teóricas y nuevos datos experimentales sobre ⁴Élmedidos con alta precisión, se desvían significativamente unos de otros

En el acelerador de electrones MAMI en Mainz, la colaboración A1, en relación con el trabajo de tesis del Dr. Simon Kegel, midió sistemáticamente la excitación de una partícula α, el núcleo de un ⁴Es un átomo‒ desde su estado fundamental hasta su primer estado excitado con una precisión sin precedentes. Al comparar los resultados experimentales y los cálculos recientes utilizando la teoría de baja energía correspondiente, se hace evidente que la excitación de las partículas α no se describe adecuadamente según la comprensión actual de las fuerzas nucleares, y esto plantea una serie de preguntas difíciles. El artículo científico relacionado se publicó como sugerencia de los editores en la destacada revista Physical Review Letters.

Las propiedades de un núcleo atómico, como su tamaño y energía de enlace, están determinadas principalmente por interacciones nucleares entre protones y neutrones dentro del núcleo. Estas interacciones se pueden describir en términos fenomenológicos, pero también se pueden calcular sistemáticamente utilizando conceptos de última generación, y la teoría del campo efectivo quiral en particular proporciona un marco prometedor sobre la base del cual se pueden estudiar. Sin embargo, cuanto más grande es el kernel, más complejos se vuelven los cálculos. Por lo tanto, es obvio que el análisis de núcleos más pequeños es la mejor manera de resolver varios aspectos teóricos y probarlos utilizando datos experimentales. El núcleo de un ⁴El átomo consta de sólo dos protones y dos neutrones. Dado el pequeño número de constituyentes, es muy adecuado para investigaciones sistemáticas de este tipo y, por lo tanto, es uno de los núcleos atómicos más estudiados.

Usando el acelerador MAMI, la excitación de la partícula α desde su estado fundamental hasta el primer estado excitado se midió con una precisión nunca antes alcanzada. Con este fin, el equipo midió lo que se conoce como el factor de forma de transición monopolar en un experimento de dispersión de electrones en pequeñas transferencias de momento con el objetivo de luego comparar sus resultados con la mejor predicción teórica actual. Sus nuevos resultados tienen incertidumbres mucho más bajas en comparación con las mediciones anteriores; además, los conjuntos de datos más antiguos solo cubrían una parte del rango de transferencia de momento medido actualmente.

Gran discrepancia entre los datos experimentales y las predicciones teóricas

Aunque los factores de forma ahora extraídos del experimento y la teoría muestran una forma similar en función de la transferencia de impulso, difieren significativamente en un factor de aproximadamente 2. Los resultados de mediciones anteriores ya habían indicado que bien puede haber una inconsistencia con la teoría, pero las incertidumbres experimentales eran demasiado grandes para permitir sacar conclusiones. Gracias a la mayor precisión de los resultados obtenidos por el equipo de Mainz, ahora se puede concluir que la excitación de la partícula α no se puede reproducir con precisión utilizando la descripción de fuerzas nucleares actualmente disponible.

“Nuestro experimento se llevó a cabo con muy buen control de las incertidumbres sistemáticas. El desacuerdo con los mejores cálculos teóricos es, por lo tanto, una seria indicación de que, o se descuida un aspecto importante de las interacciones nucleares, lo cual es particularmente evidente en esta transición monopolar, o que las propiedades del primer estado excitado de la partícula α dependen en gran medida de los detalles minuciosos de las fuerzas nucleares. Ambas posibilidades son de gran interés y nos alientan a continuar nuestros estudios”, explica la profesora Concettina Sfienti, autora correspondiente del artículo.

Investigaciones de seguimiento en Maguncia con la esperanza de encontrar la respuesta al acertijo.

De hecho, el acelerador MESA que se encuentra actualmente en construcción en el campus de Mainz brindará excelentes oportunidades para experimentos de seguimiento. En el modo de recolección de energía, MESA entregará un haz de electrones notablemente intenso, que colisiona con un objetivo de chorro de gas en el experimento MAGIX. Las partículas dispersas resultantes serán detectadas por espectrómetros magnéticos optimizados para bajas energías. Esto permitirá mediciones con transferencias de pulsos aún más bajas que las obtenidas con la configuración A1.

También desde un punto de vista teórico, se pretende arrojar luz sobre este enigma a baja energía para las fuerzas nucleares. Así, los cálculos del factor de forma de transición realizados en el grupo de la Prof. Sonia Bacca, también de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), deben ser sistemáticamente mejorados y estudiados en detalle en el marco de la teoría del campo efectivo quiral.