Nueva vía para explorar el interior del núcleo atómico

Los núcleos de los átomos son, en su mayor parte, enigmáticas cajas cerradas. Sabemos cuántos protones y neutrones tiene cada uno, pero poco más.

Saber en detalle cómo están distribuidos los protones y neutrones dentro de cada núcleo podría proporcionar un conocimiento más profundo de la fuerza nuclear fuerte que mantiene unidas a estas partículas. También podría esclarecer la estructura de las estrellas de neutrones, que son los ultradensos cuerpos celestes que a veces quedan tras la explosión como supernova de una estrella masiva. El interior de una estrella de neutrones no está compuesto únicamente de neutrones, pese a lo que sugiere su nombre, pero tampoco se sabe a ciencia cierta qué más hay en su interior ni cómo está organizado.

Experimentos previos sobre la estructura de los núcleos atómicos han revelado que, en muchos núcleos, hay más neutrones en la periferia, un rasgo conocido como “piel de neutrones”. Medir esa “piel” hecha de neutrones es muy difícil debido a lo pequeña que es una fracción de femtómetro. (Un femtómetro es la billonésima parte de un milímetro).

Y las mediciones recientes de este fenómeno han dado resultados tan dispares que no pueden explicarse debidamente mediante las teorías aceptadas. Esto ha llevado a los investigadores a buscar nuevas formas de medir la piel de neutrones.

Una sonda particularmente sensible que podría hacerlo es el antiprotón (el homólogo de antimateria del protón). Al acercarse a un núcleo atómico de materia, el antiprotón puede aniquilarse conjuntamente con uno de los protones o neutrones en la capa más externa del núcleo. En la mayoría de los casos, la energía liberada como resultado de esta aniquilación es suficiente para destrozar el núcleo; sin embargo, entre el 10% y el 20% de los núcleos pueden salvarse de la aniquilación completa, en lo que se denomina un evento de aniquilación fría.

Los investigadores pueden identificar y estudiar los núcleos que quedan para determinar si se perdió un protón o un neutrón en la aniquilación fría. La proporción de protones y neutrones perdidos proporciona una indicación de la proporción neutrón-protón en el sitio de la aniquilación. Esto, junto con mediciones de rayos X que indican a qué distancia del centro del núcleo se encontraba el antiprotón antes de su aniquilación, permite a los investigadores determinar el espesor de la piel de neutrones.

En experimentos previos, se logró identificar los núcleos que quedan tras ciertos casos de aniquilación fría. Esta identificación se consiguió midiendo la desintegración radiactiva. Sin embargo, esta táctica no permite estudiar debidamente todos los casos, y a raíz de ello se pierden oportunidades muy buenas para investigar pieles de neutrones.

Para superar esta limitación, la Colaboración AEGIS ha ideado y probado una técnica novedosa que sienta las bases para identificar los núcleos posteriores a la aniquilación, incluidos los no radiactivos, previamente indetectables, mediante espectrometría de tiempo de vuelo.

La Colaboración AEGIS es el extenso equipo de científicos que trabaja con el experimento AEGIS (Antihydrogen Experiment: Gravity, Interferometry, Spectroscopy), ubicado en el Laboratorio Europeo de Física de Partículas (CERN).

AEGIS utiliza un haz de antiprotones del Desacelerador de Antiprotones del CERN.

La nueva técnica busca aprovechar el hecho de que el antiprotón, en su camino hacia la aniquilación en el núcleo, desprende de dicho núcleo una gran cantidad de electrones que estaban en órbita a él. En tales eventos, lo que queda es un ion altamente cargado, en cuyo centro se encuentra el núcleo que los investigadores desean identificar. Estos iones altamente cargados pueden ser capturados y conservados un tiempo en trampas especiales del AEGIS, mediante campos electromagnéticos.

Parte de las instalaciones del experimento AEGIS. (Foto: AEGIS Collaboration / CERN)

Para el estudio más reciente en esta línea de investigación, la Colaboración AEGIS utilizó argón y helio como átomos de prueba. Los investigadores han demostrado con éxito la metodología principal para capturar y estudiar los iones altamente cargados, que son producidos cuando los antiprotones se aniquilan dentro de las citadas trampas. En este estudio también se ha logrado identificar las clases de iones de helio y argón mediante espectrometría de tiempo de vuelo. Este enfoque solo es posible gracias a los avances técnicos de la Fábrica de Antimateria del CERN, donde se pueden producir con relativa rapidez millones de antiprotones y mantenerlos en sofisticadas trampas de antimateria durante un tiempo.

Los experimentos futuros que utilicen esta técnica podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre los núcleos atómicos. (Fuente: NCYT de Amazings)