Al observar núcleos reflejados, los físicos ven emparejamientos inesperados

El núcleo atómico es un lugar ocupado. Sus protones y neutrones constituyentes ocasionalmente chocan y se separan brevemente con un gran impulso antes de volver a unirse como los dos extremos de una banda elástica estirada. Usando una nueva técnica, los físicos que estudian estas colisiones energéticas en núcleos ligeros han encontrado algo sorprendente: los protones chocan con sus compañeros protones y los neutrones con sus compañeros 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 en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del DOE (Laboratorio Jefferson) en Virginia. Se informó en un artículo publicado hoy en la revista Naturaleza.

Comprender estas colisiones es importante para interpretar datos en 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 becario postdoctoral en Berkeley Lab. Ambos están en la División de Ciencias Nucleares en 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 el Laboratorio de Jefferson estudió las colisiones en dos «núcleos espejo» con tres nucleones cada uno y descubrió que las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón representaban una parte mucho mayor del total, aproximadamente el 20%. «Queríamos hacer una medición significativamente más precisa, pero no esperábamos que fuera drásticamente diferente», dijo Arrington.

Usar una colisión para estudiar otra

Los núcleos atómicos a menudo se describen como grupos apretados de protones y neutrones pegados, pero estos núcleos están constantemente orbitando entre sí. «Es como el sistema solar, pero mucho más completo», dijo Arrington. En la mayoría de los núcleos, los nucleones pasan alrededor del 20% de sus vidas en estados excitados de alto momento resultantes de colisiones de 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 inferir qué tan rápido debe moverse el nucleón golpeado. «Es como la diferencia entre lanzar una pelota de ping pong a un parabrisas en movimiento oa un parabrisas estacionario», dijo Arrington. Esto les permite identificar eventos en los que un electrón ha sido dispersado por un protón de alto momento que ha chocado recientemente con otro nucleón.

En estas colisiones electrón-protón, el electrón entrante acumula suficiente energía para expulsar completamente el protón ya excitado del núcleo. Esto rompe la interacción de tipo elástico que normalmente gobierna el par de nucleones excitados, por lo 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 de rebote junto con los dos nucleones expulsados. Al marcar todas las partículas, pudieron registrar 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 contabilidad cuidadosa de las interacciones adicionales entre los nucleones que podrían sesgar el recuento.

Los núcleos espejados aumentan la precisión

Los autores del nuevo trabajo encontraron 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 parece tritio con protones y neutrones intercambiados, y esta simetría ha permitido 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 del Laboratorio Jefferson hicieran planes para desarrollar una celda de gas de tritio para experimentos de dispersión de electrones, el primer uso de este isótopo raro y temperamental 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 muchos 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 ninguna razón para esperar que las colisiones de dos núcleos funcionaran de manera diferente en el tritio y el helio-3 que en los núcleos más pesados, por lo que los resultados fueron una sorpresa.

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 estos sólidos cimientos, 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 corazonada de lo que podría estar pasando. El proceso de dispersión dominante dentro de los núcleos solo ocurre para protón-pares de neutrones. Pero la importancia de este proceso en relación con otros tipos de dispersión que no distinguen protones desde 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 con otros núcleos livianos para probar esta hipótesis. «Está claro que 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 para dar una respuesta definitiva».