Experimentos realizados en el CERN por un equipo internacional de científicos han constatado que los núcleos atómicos de algunos elementos tienen forma periforme. Estos resultados, además de su valor para refinar las teorías sobre la estructura nuclear, pueden ayudar a establecer el dominio de la materia sobre la antimateria, e incluso la validez del modelo estándar de la física de partículas.
Un equipo internacional del Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN), en la frontera franco-suiza, ha demostrado que algunos núcleos atómicos pueden adquirir formas periformes exóticas más allá de las tradicionales.
Ya se sabía que la mayoría de los núcleos que existen en la naturaleza tienen forma 'de pelota de rugby' en su estado fundamental. Según un nuevo estudio, publicado esta semana en la revista Nature, algunos otros –con números de protones y neutrones concretos– logran adquirir forma 'de pera'. Aunque esto había sido predicho teóricamente, hasta el momento no se contaba con evidencia experimental suficiente.
De acuerdo con las teorías modernas que describen la dinámica nuclear, la forma del núcleo atómico está determinada por el número de protones y neutrones que lo componen, así como por las interacciones entre estas partículas. En su estado fundamental, los núcleos tienden a ser esféricos cuando el numero de protones y/o neutrones esta cerca de los denominados 'números mágicos'.
Para los demás, lo habitual es un estado fundamental con forma elipsoidal mayoritariamente de tipo 'prolado' –con forma de balón de rugby–. Cuando el número de protones y neutrones toma ciertos valores, el efecto de cierto tipo de interacciones nucleares se magnifica dando lugar a formas más exóticas.
“La principal característica de estas formas es que no respetan la simetría de reflexión”, explica Luis Robledo, profesor del departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y uno de los firmantes del trabajo.
“La observación experimental de núcleos con forma de pera no solo es importante para la comprensión teórica de la estructura nuclear, donde se conjugan los intrincados efectos de la interacción nuclear y la dinámica de muchos cuerpos –añade–, también puede ser de gran ayuda para la búsqueda experimental de momentos dipolares eléctricos en átomos”.
Más allá del modelo estándar
Muchas de las teorías propuestas para suceder al modelo estándar de la física de partículas elementales predicen la existencia de un momento dipolar eléctrico (EDM) intrínseco de las partículas elementales, asociado a la violación de la simetría de inversión temporal y paridad de la interacción fuerte.
“Este efecto podría ser de vital importancia para explicar la prevalencia de materia sobre antimateria en el Universo", señala Robledo. "Los valores típicos predichos para dichos EDM están más allá de los límites experimentales para su detección en la mayoría de los experimentos, pero se ha sugerido que la forma de pera de ciertos núcleos podría aumentar la sensibilidad del experimento entre dos y tres órdenes de magnitud”.
Los resultados presentados en Nature para ciertos isótopos del radio (Ra) y el radón (Rn) juegan a favor de esta posibilidad. En la instalación ISOLDE o 'separador de isótopos en línea' del CERN se estudió la forma de dos isótopos inestables, 224Ra y 220Rn.
Los datos obtenidos muestran que el núcleo del primero tiene forma de pera en su estado fundamental, mientras que el segundo no adquiere esta forma permanentemente, sino que vibra con ella.
El estudio de estos isótopos requirió desarrollar una técnica experimental compleja. Se crearon núcleos radiactivos muy pesados en colisiones de alta energía entre protones y blancos de carburo de uranio. Los núcleos así creados se extrajeron usando sus propiedades químicas, para posteriormente ser acelerados hasta un 8% de la velocidad de la luz.
Después fueron implantados en blancos de níquel, cadmio y estaño. En este proceso de implantación se produjo un pulso electromagnético que excitó los núcleos, lo que permitió finalmente el estudio de sus formas.
En su trabajo los autores destacan que los resultados obtenidos no sólo serán de gran utilidad para refinar las teorías actuales sobre la estructura nuclear, sino que además ayudarán a direccionar la búsqueda experimental de los EDM intrínsecos en átomos y dilucidar nuevos aspectos de la física de partículas.
Referencia bibliográfica:
L. P. Gaffney, P. A. Butler, M. Scheck et al. "Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams". Nature 497, 9 de mayo de 2013. Doi:10.1038/nature12073.
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