Físicos han resuelto un misterio de 35 años escondido dentro de los núcleos atómicos

0

Desde 1983 hay un misterio que venía intrigando a los físicos y que no habían podido responder: los protones y los neutrones actúan de manera diferente cuando están dentro de un átomo, en lugar de flotar libremente en el espacio. Específicamente, las partículas subatómicas que forman esos protones y neutrones, llamados quarks, disminuyen masivamente una vez que están confinadas a un núcleo en un átomo.

A los físicos realmente no les gustó esto, porque los neutrones son neutrones, estén dentro de un átomo o no. Y los protones son protones. Tanto los protones como los neutrones (que juntos forman la clase de partículas llamadas «nucleones») están formados por tres partículas más pequeñas, llamadas quarks, unidas por la fuerza fuerte.

«Cuando colocas los quarks en un núcleo, comienzan a moverse más lentamente, y eso es muy raro», dijo el coautor del estudio Or Hen, físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts. Eso es extraño porque las interacciones poderosas entre los quarks determinan principalmente su velocidad, mientras que las fuerzas que unen el núcleo (y también actúan sobre los quarks dentro del núcleo) se supone que son muy débiles, agregó Hen.

Y no hay otra fuerza conocida que deba modificar tan intensamente el comportamiento de los quarks en un núcleo. Sin embargo, el efecto permanece: los físicos de partículas lo llaman el efecto EMC, llamado así por la European Muon Collaboration, el grupo que lo descubrió. Y hasta hace poco, los científicos no estaban seguros de qué lo causó.

Normalmente, dos partículas en un núcleo se juntan mediante una fuerza de alrededor de 8 millones de electronvoltios (8 MeV), una medida de energía en partículas. Los quarks en un protón o neutrón están unidos entre sí por aproximadamente 1000 MeV. Así que no tiene sentido que las interacciones relativamente débiles del núcleo impacten dramáticamente las interacciones poderosas dentro de los quarks.

Pero el efecto EMC no parece un leve empujón de una fuerza externa. Dependiendo del núcleo involucrado, el tamaño aparente de los nucleones (que es una función de su velocidad) puede cambiar entre un 10 y un 20 por ciento. En un núcleo de oro, por ejemplo, los protones y los neutrones son 20 por ciento más pequeños que cuando flotan libremente.

Los teóricos idearon muchos modelos diferentes para explicar lo que estaba sucediendo aquí, pero con el tiempo, los físicos hicieron más experimentos, probando esos diferentes modelos, y uno tras otro desaparecieron.

Hasta que realizaron un nuevo planteamiento. En lugar de tratar de explicar todo el rompecabezas a la vez, Hen y sus colegas decidieron analizar un solo caso especial de interacción de neutrones y protones.

En la mayoría de las circunstancias, los protones y los neutrones en un núcleo no se superponen entre sí, sino que respetan los límites de los demás, aunque en realidad no sean más que sistemas de quarks unidos. Pero a veces, los nucleones se unen entre sí dentro del núcleo existente y comienzan a superponerse brevemente, físicamente uno con el otro, convirtiéndose en lo que los científicos llaman «pares correlacionados». En cualquier momento, aproximadamente el 20 por ciento de los nucleones en un núcleo se superponen de esta manera.

Cuando eso sucede, enormes cantidades de energía fluyen entre los quarks, cambiando fundamentalmente su estructura y comportamiento, un fenómeno causado por la fuerza fuerte. En un artículo publicado el 20 de febrero en la revista Nature, los investigadores argumentaron que este flujo de energía justifica precisamente el efecto EMC.

El equipo bombardeó muchos tipos diferentes de núcleos con electrones y descubrió una relación directa entre estos pares de nucleones y el efecto EMC.

Sus datos sugieren fuertemente que los quarks en la mayoría de los nucleones no cambian en absoluto cuando entran en un núcleo. Pero esos pocos involucrados en pares de nucleones cambian su comportamiento tan dramáticamente que distorsionan los resultados promedio en cualquier experimento. Como resultado, muchos quarks empacados en un espacio tan pequeño causan algunos efectos dramáticos de fuerza fuerte. El efecto EMC es el resultado de solo una minoría de anomalías, en lugar de un cambio en el comportamiento de todos los protones y neutrones.

De los datos, el equipo derivó una función matemática que describe con precisión cómo se comporta el efecto EMC de un núcleo a otro.

Esa es una fuerte evidencia de que este efecto de emparejamiento es la verdadera respuesta al misterio de EMC.

Y esto demoró 35 años.

Hen dijo que él y sus colegas ya tienen experimentos de seguimiento planeados para investigar el problema aún más profundamente y revelar nuevas verdades desconocidas sobre el comportamiento de los nucleones emparejados dentro de los átomos.

Fuente: Eureka Alert.

Compartir.

Acerca del Autor

Yo soy Robotitus, el administrador de esta página. Si gustas puedes llamarme Titus.

Deja un comentario

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.