Representación gráfica del núcleo en forma de pera de un átomo exótico. La forma del núcleo podría dar pistas sobre por qué el universo contiene más materia que antimateria. Imagen: Liam Gaffney y Peter Butler, de la Universidad de Liverpool. Fuente: Universidad de Michigan.
Un equipo internacional de físicos ha descubierto la primera evidencia de núcleos atómicos con forma de pera –en lugar de esféricos o elípticos como suelen ser- en lo que se denomina “átomos exóticos”, que son átomos cuyas partículas –electrones y/o protones- han sido sustituidas por otras distintas.
Estos átomos son altamente inestables, por lo que su vida media es extremadamente corta. Aún así, los investigadores lograron observar sus núcleos.
Los investigadores creen que el hallazgo podría impulsar la búsqueda de una nueva fuerza fundamental en la naturaleza (en la actualidad, hay definidas cuatro fuerzas de este tipo).
Esta “nueva fuerza”, a su vez, podría explicar por qué en el momento del Big Bang o gran explosión que dio inicio al cosmos se creó más materia que antimateria: un desequilibrio esencial en la historia de todas las cosas.
En física de partículas, la antimateria es una forma de materia, aunque menos frecuente, compuesta de antipartículas, que son como la “imagen en el espejo” de las partículas subatómicas: poseen la misma masa y espín que estas, pero distinta carga eléctrica. Así, por ejemplo, la antipartícula de electrón sería el antielectrón o positrón, idéntico al primero, pero con una carga eléctrica contraria.
En general, la antimateria es una auténtica rareza dentro del universo conocido. Además, tiene una existencia breve, que se desarrolla en los rayos cósmicos, las llamaradas solares o en el interior de aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
¿Una nueva fuerza fundamental?
Si, cuando se produjo el Big Bang, “se hubiese creado la misma cantidad de materia que de antimateria, todo habría quedado aniquilado, y no habría galaxias, estrellas, planetas o gente”, afirma Tim Chupp, un profesor de física de la Universidad de Michigan (EEUU) y co-autor de un artículo sobre esta investigación publicado por Nature, en un comunicado de dicha Universidad. La razón: el contacto entre la materia y la antimateria ocasionaría su aniquilación mutua.
¿Qué causó el desequilibrio entre materia y antimateria gracias al cual sí existe nuestro universo? Este es uno de los grandes misterios de la física, tan grande que ni siquiera lo recoge el llamado Modelo Estándar, que es la teoría general que describe las leyes de la naturaleza y la naturaleza de la materia.
Dicho Modelo describe cuatro fuerzas o interacciones fundamentales que rigen el comportamiento de la materia: la gravedad (que atrae a los cuerpos masivos entre sí); la interacción electromagnética, que origina las fuerzas en los cuerpos eléctricamente cargados; y las fuerzas fuerte y débil, que operan en los núcleos atómicos, aglomerando partículas o haciendo que estas decaigan en partículas mas livianas.
Pero los físicos llevan tiempo buscando signos de esa otra fuerza o interacción que podría explicar el desequilibrio inicial entre materia y antimateria en el cosmos.
Los autores de la presente investigación pensaron que la evidencia de la existencia de dicha fuerza podría encontrarse midiendo la forma en que el eje de los núcleos atómicos de elementos radiactivos -como el radón y el radio- se alinea con el espín o momento angular intrínseco de cada átomo.
Estos átomos son altamente inestables, por lo que su vida media es extremadamente corta. Aún así, los investigadores lograron observar sus núcleos.
Los investigadores creen que el hallazgo podría impulsar la búsqueda de una nueva fuerza fundamental en la naturaleza (en la actualidad, hay definidas cuatro fuerzas de este tipo).
Esta “nueva fuerza”, a su vez, podría explicar por qué en el momento del Big Bang o gran explosión que dio inicio al cosmos se creó más materia que antimateria: un desequilibrio esencial en la historia de todas las cosas.
En física de partículas, la antimateria es una forma de materia, aunque menos frecuente, compuesta de antipartículas, que son como la “imagen en el espejo” de las partículas subatómicas: poseen la misma masa y espín que estas, pero distinta carga eléctrica. Así, por ejemplo, la antipartícula de electrón sería el antielectrón o positrón, idéntico al primero, pero con una carga eléctrica contraria.
En general, la antimateria es una auténtica rareza dentro del universo conocido. Además, tiene una existencia breve, que se desarrolla en los rayos cósmicos, las llamaradas solares o en el interior de aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN.
¿Una nueva fuerza fundamental?
Si, cuando se produjo el Big Bang, “se hubiese creado la misma cantidad de materia que de antimateria, todo habría quedado aniquilado, y no habría galaxias, estrellas, planetas o gente”, afirma Tim Chupp, un profesor de física de la Universidad de Michigan (EEUU) y co-autor de un artículo sobre esta investigación publicado por Nature, en un comunicado de dicha Universidad. La razón: el contacto entre la materia y la antimateria ocasionaría su aniquilación mutua.
¿Qué causó el desequilibrio entre materia y antimateria gracias al cual sí existe nuestro universo? Este es uno de los grandes misterios de la física, tan grande que ni siquiera lo recoge el llamado Modelo Estándar, que es la teoría general que describe las leyes de la naturaleza y la naturaleza de la materia.
Dicho Modelo describe cuatro fuerzas o interacciones fundamentales que rigen el comportamiento de la materia: la gravedad (que atrae a los cuerpos masivos entre sí); la interacción electromagnética, que origina las fuerzas en los cuerpos eléctricamente cargados; y las fuerzas fuerte y débil, que operan en los núcleos atómicos, aglomerando partículas o haciendo que estas decaigan en partículas mas livianas.
Pero los físicos llevan tiempo buscando signos de esa otra fuerza o interacción que podría explicar el desequilibrio inicial entre materia y antimateria en el cosmos.
Los autores de la presente investigación pensaron que la evidencia de la existencia de dicha fuerza podría encontrarse midiendo la forma en que el eje de los núcleos atómicos de elementos radiactivos -como el radón y el radio- se alinea con el espín o momento angular intrínseco de cada átomo.
Forma de pera y asimetría originaria
En el análisis de dichos núcleos, descubrieron que estos tienen forma de pera, en lugar de los más típicos perfiles de los núcleos atómicos, esféricos o elípticos. Esta forma de pera hizo que los efectos de esta “otra” fuerza resultasen mucho más fuertes y más fáciles de detectar.
Sobre esta forma nuclear, que Chupp describe como "especial", el físico explica que: "Supone que los neutrones y los protones que componen el núcleo se encuentran en lugares ligeramente diferentes a lo largo de un eje interno".
Más concretamente: los núcleos con forma de pera serían asimétricos porque los protones (partículas con carga positivas) de su interior serían alejados del centro del núcleo por fuerzas nucleares, fundamentalmente diferentes a las fuerzas de simetría esférica ya conocidas, como la gravedad.
"Esta nueva interacción (que aleja a los protones del centro nuclear), cuyos efectos estamos estudiando, actúa de dos maneras", añade Chupp: Por una parte habría producido “la asimetría materia / antimateria en el universo temprano” y, por otra, “alinearía la dirección del espín con el eje de la carga, en estos núcleos".
Leyendo en los rayos gamma
Para determinar la forma de los núcleos atómicos del radón y del radio, los investigadores produjeron haces de átomos exóticos de corta duración, en el Separador de Isótopos del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), ubicado en las instalaciones ISOLDE.
Estos haces fueron acelerados y destruidos haciéndolos chocar con objetivos de níquel, cadmio y estaño. Sin embargo, debido a la fuerza de repulsión de los núcleos cargados positivamente, las reacciones nucleares clásicas no se produjeron.
En su lugar, los núcleos excitados alcanzaron niveles de energía muy altos y produjeron rayos gamma que se desplazaron siguiendo un patrón específico, que fue lo que reveló la forma de pera de los núcleos atómicos. Ahora, “estamos tratando de entender todo lo que hemos observado directa e indirectamente, y qué es lo que nos ha llevado hasta aquí", afirma Chupp.
Afinar o modificar teorías
Los resultados de esta investigación, dirigida por Peter Butler, profesor de física de la Universidad de Liverpool (Inglaterra), “contradicen algunas teorías sobre los núcleos atómicos, y ayudará a afinar otras”, explica Chupp.
Las mediciones ayudarán asimismo a dirigir las búsquedas de EDM atómicos (momentos dipolares eléctricos, que señalan la separación entre cargas eléctricas negativas y positivas en cualquier sistema de cargas), que se realizan actualmente en Norteamérica y Europa aprovechando las propiedades especiales de los isótopos de radón y radio. Los resultados de estas mediciones son muy importantes para la teoría estándar de la Física.
“Esperamos que los datos arrojados por nuestros experimentos de física nuclear puedan combinarse con los resultados de experimentos de medición de los EDM para desarrollar las pruebas más rigurosas sobre el Modelo Estándar, que es la mejor teoría que tenemos para comprender la naturaleza de los componentes básicos del universo”, concluye Butler.
En el análisis de dichos núcleos, descubrieron que estos tienen forma de pera, en lugar de los más típicos perfiles de los núcleos atómicos, esféricos o elípticos. Esta forma de pera hizo que los efectos de esta “otra” fuerza resultasen mucho más fuertes y más fáciles de detectar.
Sobre esta forma nuclear, que Chupp describe como "especial", el físico explica que: "Supone que los neutrones y los protones que componen el núcleo se encuentran en lugares ligeramente diferentes a lo largo de un eje interno".
Más concretamente: los núcleos con forma de pera serían asimétricos porque los protones (partículas con carga positivas) de su interior serían alejados del centro del núcleo por fuerzas nucleares, fundamentalmente diferentes a las fuerzas de simetría esférica ya conocidas, como la gravedad.
"Esta nueva interacción (que aleja a los protones del centro nuclear), cuyos efectos estamos estudiando, actúa de dos maneras", añade Chupp: Por una parte habría producido “la asimetría materia / antimateria en el universo temprano” y, por otra, “alinearía la dirección del espín con el eje de la carga, en estos núcleos".
Leyendo en los rayos gamma
Para determinar la forma de los núcleos atómicos del radón y del radio, los investigadores produjeron haces de átomos exóticos de corta duración, en el Separador de Isótopos del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear), ubicado en las instalaciones ISOLDE.
Estos haces fueron acelerados y destruidos haciéndolos chocar con objetivos de níquel, cadmio y estaño. Sin embargo, debido a la fuerza de repulsión de los núcleos cargados positivamente, las reacciones nucleares clásicas no se produjeron.
En su lugar, los núcleos excitados alcanzaron niveles de energía muy altos y produjeron rayos gamma que se desplazaron siguiendo un patrón específico, que fue lo que reveló la forma de pera de los núcleos atómicos. Ahora, “estamos tratando de entender todo lo que hemos observado directa e indirectamente, y qué es lo que nos ha llevado hasta aquí", afirma Chupp.
Afinar o modificar teorías
Los resultados de esta investigación, dirigida por Peter Butler, profesor de física de la Universidad de Liverpool (Inglaterra), “contradicen algunas teorías sobre los núcleos atómicos, y ayudará a afinar otras”, explica Chupp.
Las mediciones ayudarán asimismo a dirigir las búsquedas de EDM atómicos (momentos dipolares eléctricos, que señalan la separación entre cargas eléctricas negativas y positivas en cualquier sistema de cargas), que se realizan actualmente en Norteamérica y Europa aprovechando las propiedades especiales de los isótopos de radón y radio. Los resultados de estas mediciones son muy importantes para la teoría estándar de la Física.
“Esperamos que los datos arrojados por nuestros experimentos de física nuclear puedan combinarse con los resultados de experimentos de medición de los EDM para desarrollar las pruebas más rigurosas sobre el Modelo Estándar, que es la mejor teoría que tenemos para comprender la naturaleza de los componentes básicos del universo”, concluye Butler.
Referencia bibliográfica:
L. P. Gaffney, P. A. Butler, M. Scheck, A. B. Hayes, F. Wenander, M. Albers, B. Bastin, C. Bauer, A. Blazhev, S. Bönig, N. Bree, J. Cederkäll, T. Chupp, D. Cline, T. E. Cocolios, T. Davinson, H. De Witte, J. Diriken, T. Grahn, A. Herzan, M. Huyse, D. G. Jenkins, D. T. Joss, N. Kesteloot, J. Konki, M. Kowalczyk, Th. Kröll, E. Kwan, R. Lutter, K. Moschner, P. Napiorkowski, J. Pakarinen, M. Pfeiffer, D. Radeck, P. Reiter, K. Reynders, S. V. Rigby, L. M. Robledo, M. Rudigier, S. Sambi, M. Seidlitz, B. Siebeck, T. Stora, P. Thoele, P. Van Duppen, M. J. Vermeulen, M. von Schmid, D. Voulot, N. Warr, K. Wimmer, K. Wrzosek-Lipska, C. Y. Wu, M. Zielinska. Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12073.
L. P. Gaffney, P. A. Butler, M. Scheck, A. B. Hayes, F. Wenander, M. Albers, B. Bastin, C. Bauer, A. Blazhev, S. Bönig, N. Bree, J. Cederkäll, T. Chupp, D. Cline, T. E. Cocolios, T. Davinson, H. De Witte, J. Diriken, T. Grahn, A. Herzan, M. Huyse, D. G. Jenkins, D. T. Joss, N. Kesteloot, J. Konki, M. Kowalczyk, Th. Kröll, E. Kwan, R. Lutter, K. Moschner, P. Napiorkowski, J. Pakarinen, M. Pfeiffer, D. Radeck, P. Reiter, K. Reynders, S. V. Rigby, L. M. Robledo, M. Rudigier, S. Sambi, M. Seidlitz, B. Siebeck, T. Stora, P. Thoele, P. Van Duppen, M. J. Vermeulen, M. von Schmid, D. Voulot, N. Warr, K. Wimmer, K. Wrzosek-Lipska, C. Y. Wu, M. Zielinska. Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams. Nature (2013). DOI: 10.1038/nature12073.