Algo curioso sucedió cuando los investigadores del MIT Adam Vernon y Ronald García Ruiz, junto con un equipo internacional de científicos, realizaron recientemente un experimento en el que se utilizó una técnica de espectroscopia láser sensible para medir cómo evolucionan las propiedades electromagnéticas nucleares de los isótopos de indio cuando un número extremo de se añaden neutrones al núcleo.
Estos núcleos no existen en la naturaleza y, una vez creados, su vida útil puede ser tan corta como una fracción de segundo, por lo que el equipo creó artificialmente los núcleos utilizando un acelerador de partículas en las instalaciones de investigación del CERN en Suiza.
Mediante el uso de una combinación de múltiples láseres y una trampa de iones, el equipo aisló los isótopos de interés y realizó mediciones de precisión de los átomos que contenían estos núcleos exóticos. A su vez, permitía la extracción de sus propiedades nucleares.
Vernon, García Ruiz y sus colegas lograron un resultado sorprendente. Al medir un núcleo con un cierto número “mágico” de neutrones, 82, el campo magnético del núcleo exhibió un cambio drástico, y las propiedades de estos núcleos muy complejos parecen estar gobernadas por solo uno de los protones del núcleo.
“La nueva observación de 82 neutrones totales cambia esta imagen del núcleo. Tuvimos que idear nuevas teorías nucleares para explicar el resultado”, dice Vernon.
Nuevas teorías
El movimiento de protones y neutrones que orbitan dentro del núcleo atómico genera un campo magnético, convirtiendo efectivamente el núcleo en un imán de escala femtómetro (una cuadrillonésima parte de un metro). Comprender cómo surge el electromagnetismo nuclear de las fuerzas fundamentales subyacentes de la naturaleza es uno de los principales problemas abiertos de la física nuclear.
Las propiedades electromagnéticas nucleares de los isótopos de indio (núcleos con el mismo número atómico pero diferente número de neutrones) se consideran un ejemplo particularmente intrigante en la naturaleza. Con 49 protones y entre 60 y 80 neutrones, las propiedades electromagnéticas de los isótopos de indio parecen estar gobernadas por un solo protón, independientemente del número de neutrones pares.
“Las propiedades electromagnéticas de los isótopos de indio se han considerado un ejemplo de libro de texto en nuestra comprensión de la estructura nuclear”, afirma García Ruiz, quien dirige la investigación sobre experimentos de espectroscopia láser de átomos y moléculas que contienen núcleos de vida corta dentro del Laboratorio de Átomos y Moléculas Exóticas de LNS.
Los colaboradores desarrollaron de forma independiente dos cálculos “ab-initio” y “teoría funcional de la densidad” de última generación para el núcleo atómico para describir los resultados experimentales. Mostraron que el campo magnético cambiaba repentinamente para ser dado por un solo protón en el núcleo cuando se alcanzaban los 82 neutrones, tal como lo observaron los investigadores y colaboradores del MIT en el laboratorio.
Un hito para la física nuclear
El trabajo de los investigadores se describe en un artículo en Nature . Sirve como un hito para la física nuclear, ya que desafía nuestra comprensión previa de estos núcleos. Además, los cálculos detallados del núcleo atómico son muy desafiantes, especialmente con una gran cantidad de protones y neutrones como en este trabajo.
“Es raro cuando los cálculos pueden investigar el núcleo atómico con tanto detalle, y esto es lo que permitió nuestra observación de este nuevo fenómeno”, afirma Vernon.
Los resultados son un paso esencial hacia una comprensión microscópica del núcleo atómico y la fuerza nuclear, no solo importante para describir los núcleos atómicos, sino también fundamental para comprender los sistemas astrofísicos como las estrellas de neutrones. Sus hallazgos brindan una guía importante para refinar los modelos teóricos, que son un aporte esencial para una amplia gama de estudios, como las búsquedas de materia oscura y la física de neutrinos.
El trabajo fue apoyado por la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.