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» » ¿Cómo descubrir el verdadero rostro de los núcleos atómicos?

Referencia: AlphaGalileo.org , 10 de julio de 2014

Los protones y los neutrones son los componentes básicos de los núcleos atómicos. ¿Están distribuidos homogéneamente, o quizá en cuartetos que consisten en dos protones y dos neutrones? Físicos de Polonia y España han presentado recientemente una idea de cómo este problema puede ser investigado en futuros experimentos.


Según los libros de texto, los protones y neutrones del núcleo atómico se ubican de manera uniforme y se mueven independientemente unos de otros. Sin embargo, hay muchos hechos insinuando que los nucleones de muchos núcleos se unen en pequeños grupos, por ejemplo, en núcleos de helio (partículas alfa) formados de dos protones y dos neutrones. Las mediciones directas de este efecto son bastante difíciles y los resultados, hasta ahora, ambiguos. ¿Cómo podemos saber de la verdadera faz del núcleo atómico?

En un artículo publicado y recomendado por los editores de la prestigiosa revista Physical Review Letters, los físicos del Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN), en Cracovia, y de la Universidad de Granada (UG), en España, describen un nuevo método que sirve para futuros experimentos que puedan revelar si los nucleones de los núcleos forman de hecho un grupo, o si "viven por su cuenta". Esta investigación fue cofinanciada por el Centro Nacional de Ciencias de Polonia.

Las sugerencias de que los nucleones pueden estar agrupados en los núcleos atómicos ya surgió hace más de 80 años. En 1931 George Gamow, un famoso físico, planteó la hipótesis de que los núcleos atómicos están formados por las partículas alfa. Después de muchas décadas todavía no hay evidencia experimental inequívoca de este hecho. Sin embargo, a partir de simulaciones informáticas avanzadas sabemos, por ejemplo, que el núcleo de berilio 9Be está formado por dos grupos alfa y un neutrón extra, por lo que tiene más una forma de mancuerna que de una esfera. Los llamados experimentos de fragmentación llevados a cabo con aceleradores indican la presencia de agrupaciones en núcleos más pesados​​, por ejemplo, tres en el carbono 12C, cuatro en el oxígeno 16O, diez en el calcio 40Ca, o catorce en el níquel 56Ni.

"Sostenemos, pues, que si la estructura de los núcleos atómicos está formada de grupos alfa, seríamos capaces de ver sus rastros en el espectro de partículas formado por las colisiones ultra-relativistas de los núcleos elegidos", dice el profesor Wojciech Broniowski (IFJ PAN), co-autor del artículo.

En estas colisiones ultra-relativistas los núcleos atómicos se mueven con velocidades muy cercanas a la velocidad de la luz. Por esta razón su configuración espacial está "congelada" durante el cortísimo tiempo de reacción. Como resultado de la colisión, se forma el plasma de quarks y gluones, los cuales se comportan como un líquido que se derrama en todas las direcciones. Sin embargo, la velocidad de este flujo no es la misma en todas las direcciones, en unos más rápido y en otros más lento. Estas diferencias reflejan la forma original de los núcleos colisionados.

"Después de unos pocos femtosegundos llegamos a un momento interesante", resalta el profesor Broniowski. "El flujo de plasma se enfría y congela en los hadrones que más tarde son observados en los detectores. Sus velocidades son algo más altas en esas direcciones, ahí donde el flujo es mayor. Hemos demostrado que tras una medición muy precisa de las velocidades de las partículas se pueden recuperar de manera inteligente la información de esa forma inicial de los núcleos colisionados".

Los autores de la publicación han modelado las colisiones del núcleo de carbono 12C sobre el plomo 208Pb. La elección de 12C no es accidental, si este núcleo se compone de tres grupos alfa, debería tener una forma triangular. En esa situación, las velocidades de los hadrones producidos dependerían claramente de la dirección, moviéndose más rápido en la dirección perpendicular a los bordes del triángulo, y más lento en las direcciones indicadas por sus esquinas. Por otro lado, el núcleo muy pesado de 208Pb era necesario para garantizar la formación del plasma de quark-gluón, requerido para el flujo.

"Nuestro método también podría aplicarse a los núcleos más pesados, como el oxígeno 16O, que probablemente tiene una forma piramidal. Sin embargo, la mayoría de los grupos, son en efecto núcleos esféricos, y las diferencias en las velocidades de hadrones serán más difíciles de detectar", subraya el profesor Enrique Ruiz Arriola (UG).

La reunión de objetos en grupos es un mecanismo universal para disminuir la energía de los sistemas físicos sujetos a la atracción. Es común en la naturaleza en todas las escalas de distancia. Se agrupan los quarks de arriba y abajo en tripletes para formar los nucleones, los nucleones se unen a los núcleos atómicos, los átomos se conectan en moléculas, las gotas de agua helada forman copos de nieve. A escala cósmica, las estrellas forman galaxias y las galaxias forman cúmulos galácticos. En nuestra vida, podemos formar grupos en invierno para sentirnos más abrigados ...

"Todavía no sabemos si los protones y los neutrones forman grupos alfa en los núcleos. Sin embargo, ahora sabemos un método para aprehenderlo en ciertos casos. El siguiente paso le toca a otros experimentadores", concluye el profesor Broniowski.


- Fuente: Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences .
- Imagen: Dos modelos del núcleo 12C del carbono. ¿Está formado por tres grupos alfa, es decir, cuartetos fuertemente unidos de dos protones y dos neutrones (izquierda), o se trata de un compuesto uniforme de nucleones (derecha)? Crédito: IFJ PAN, Tentaris.
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