La colisión de núcleos atómicos revela sus formas esquivas

Los físicos han encontrado una nueva forma de estudiar la forma de los núcleos atómicos, obliterándolos en colisiones de alta energía. Este método podría ayudar a los científicos a comprender mejor las formas de los núcleos, que, por ejemplo, afectan la velocidad a la que se forman los elementos en las estrellas y ayudar a determinar qué materiales producen el mejor combustible nuclear.

“La forma de los núcleos afecta a casi todos los aspectos del núcleo atómico y de los procesos nucleares”, dice Ji Ming, físico nuclear de la Universidad de Pekín en Beijing. Nuevo método de obtención de imágenes publicado en naturaleza Dice que la fecha del 6 de noviembre representa “un progreso importante y emocionante”.

El núcleo atómico adopta dos formas.

Un equipo del Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, colisionó dos haces de uranio-238 (y más tarde dos haces de oro) a energías extremas. Lo golpearon “tan fuerte que disolvimos los núcleos en una sopa”, dice el coautor Jiang Yongjia, físico de la Universidad Stony Brook de Nueva York.

El plasma caliente generado por las colisiones se expandió bajo presión muy rápidamente, de manera similar a la forma inicial del núcleo. Usando un detector llamado Solenoidal Tracker en RHIC, o STAR, para encontrar el impulso de cada una de las miles de partículas generadas por ambos tipos de colisiones y comparando los resultados con modelos, el equipo puede “hacer retroceder el reloj para inferir la forma de los núcleos”, afirma Jia.

Figuras ocultas

El núcleo atómico está formado por protones y neutrones que, como los electrones, habitan en capas de energía. En general, las moléculas adoptan una forma que minimiza la energía del sistema. Al igual que una gota de líquido, el grano puede adoptar diversas formas, incluida la de una pera, una pelota de fútbol americano o una cáscara de maní. La forma del núcleo es “muy difícil de predecir teóricamente”, afirma Jia. También puede Cambian con el tiempo debido a fluctuaciones cuánticas..

Experimentos anteriores para explorar la forma han implicado desviar iones de baja energía lejos del núcleo. Este método, llamado excitación de Coulomb, excita los núcleos y la radiación que emiten cuando regresan al estado fundamental revela aspectos de su forma. Pero la escala de tiempo es relativamente larga, por lo que este tipo de fotografía sólo puede ofrecer una toma de larga exposición que muestre el promedio de cualquier fluctuación en la forma.

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Por el contrario, el método de colisión de alta energía proporciona una instantánea de los núcleos durante la colisión. Es un método más directo, lo que lo hace más adecuado para estudiar formas extrañas, afirma Jia.

Esta técnica confirmó que el oro tenía una forma semiesférica que era consistente de una imagen a otra. En comparación, el uranio cambió entre disparos cuando los núcleos chocaron en diferentes direcciones. Esto permitió a los investigadores calcular las longitudes relativas de sus núcleos en tres dimensiones espaciales, lo que sugiere que el uranio no sólo está alargado sino también ligeramente comprimido en una dimensión, como una pelota de fútbol americano desinflada.

“Me parece sorprendente que haya funcionado”, dice Magdalena Zielinska, física nuclear de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica cerca de París, y que otros procesos nucleares no hayan afectado la emisión de partículas ni hayan enmascarado la distorsión.

¿Duro o blando?

Este tipo de imágenes podría ayudar en la difícil tarea de distinguir entre núcleos “duros”, con formas bien definidas, y núcleos volátiles “blandos”, dice Zielinska.

Jia dice que su equipo también quiere aplicar este método para estudiar las diferencias entre iones más ligeros, como el oxígeno y el neón. Los núcleos de oxígeno son aproximadamente esféricos, mientras que se cree que los núcleos de neón, que transportan dos protones y dos neutrones adicionales, están hinchados. Comparar sus formas permitirá a los investigadores comprender cómo los protones y los neutrones forman grupos en el núcleo, afirma Jia.

La información sobre la forma también puede revelar si es probable que los núcleos interactúen o sufran fisión nuclear, y puede aumentar las posibilidades de descubrir un proceso llamado Neutrino menos doble B decaimientoLo que podría ayudar a resolver algunos misterios antiguos de la física. Jia dice que alrededor del 99,9% de la materia visible se encuentra en el centro de los átomos. “Comprender el componente nuclear es fundamentalmente el núcleo de la comprensión de nuestra identidad”.