La física del núcleo en dirección a la forma de pera

Un equipo internacional de físicos ha encontrado la mejor evidencia hasta el momento de que algunos núcleos pesados no son esféricos o elipsoidales, sino en «forma de pera»

Los investigadores encontraron claros signos de este desequilibrio en dos núcleos en particular, el radón-220 y el radio-224, que fueron creadas impactando protones en un blanco de carburo de uranio en la planta de REX-ISOLDE en el CERN. Además de proporcionar nueva información acerca de las fuerzas que unen a los protones y neutrones en el núcleo, el descubrimiento también podría ayudar a arrojar luz sobre una física más allá del Modelo Estándar de la física de partículas.

Los físicos han sabido durante décadas que los núcleos pueden existir en formas diferentes de la simple esfera. En la mayoría de los casos, estos núcleos no esféricos se ven como una pelota de fútbol americano, o de rugby, o como un disco; ambas formas tienen simetría axial y de reflexión. Cualquier desviación de la forma esférica se describe generalmente como una «deformación cuadripolar», impulsada por las interacciones subyacentes «cuadripolo» entre los nucleones (protones y neutrones) en el núcleo. Sin embargo, los físicos han sospechado que hay además interacciones «octopolares» más sutiles entre los nucleones, que se prevé que provoquen que algunos núcleos sean en forma de pera, o incluso que se asemejen a una pirámide.

Aunque hubo algunas limitadas señales de núcleos en forma de pera en los experimentos que se llevaron a cabo con radio-226 y neodimio-148 en la década de los 90, ninguno de los estudios fue concluyente. Lo que Peter Butler, de la Universidad de Liverpool y sus colegas en Bélgica, Finlandia, Alemania, Polonia, España, Suiza, Reino Unido y los EEUU han hecho ahora es encontrar una fuerte evidencia de transiciones octopolares en radón-220 y radio-224. Estas transiciones son una señal de que los núcleos están desequilibrados y aparecen en el espectro de los rayos gamma que emiten estos núcleos cuando se desintegran desde un estado excitado.

Prueba clara

Después de que fueron creados núcleos de radón y radio en el objetivo de carburo de uranio del REX-ISOLDE, éstos fueron acelerados y se los hizo atravesar delgados blancos de de níquel, estaño y cadmio. Mientras pasaban a través de estos objetivos, algunos núcleos de radón y el radio se acercaron a algún núcleo del blanco de modo que su intenso campo eléctrico excitó el radón o radio; una técnica experimental llamada «excitación coulomb». Los núcleos fueron disparados luego a través del detector Miniball del CERN, que puede detectar los rayos gamma emitidos en todas las direcciones desde los núcleos.

Núcleo en forma de pera

Al observar la energía y la distribución espacial de los rayos gamma, el equipo podría concluir que ambos núcleos tenían forma de pera. En particular, el equipo encontró que una determinada transición octopolo era mucho más común de lo esperado si el núcleo no era en forma de pera; de hecho, en el caso de radio era alrededor de 30 veces mayor de lo esperado. «Esta [transición] ‘mejorada’ podría considerarse una prueba irrefutable de deformación estática octopolar de la materia nuclear en estos núcleos», dijo Regan arroz de la Universidad de Surrey, que no participó en la investigación.

Dipolos eléctricos mejorados

Según Butler, estos nuevos resultados proporcionan una idea de la eficacia de varios modelos que intentan describir la estructura de los grandes núcleos como el radón y el radio; algo que sigue siendo muy difícil de lograr. Pero más allá de la física nuclear, el estudio de los núcleos en forma de pera también podría arrojar luz sobre por qué hay más materia que antimateria en el universo. Esto se debe a que se espera que los átomos que tienen un núcleo en forma de pera sean un buen lugar donde buscar violación de simetrías de tiempo (T) y de carga-paridad (CP) más allá de lo que permite el modelo estándar.

Estas simetrías prohíben que un átomo tenga un momento dipolar eléctrico permanente (EDM). Hasta el momento, los físicos no han encontrado evidencia de la existencia de un átomo con un EDM, pero Butler reconoce que la señal experimental del EDM se vería reforzada por un factor de aproximadamente 1.000 en un átomo con un núcleo en forma de pera. El medir la violación de CP y T más allá del Modelo Estándar podría explicar por qué la mayoría de la antimateria creada en el Big Bang se desvaneció después, y por qué el universo está dominado por la materia.

Una vez que los aceleradores estén marcha de nuevo en el CERN en 2015, el equipo planea estudiar otros núcleos, que esperan que sean en forma de pera.

El estudio se describe en Nature.

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti

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