Los físicos del MIT y de otros lugares están lanzando rayos de iones a las nubes de protones —como lanzando dardos nucleares a la velocidad de la luz— para trazar un mapa de la estructura del núcleo de un átomo.

El experimento es una inversión de los aceleradores de partículas habituales, que lanzan electrones a los núcleos atómicos para sondear sus estructuras. El equipo utilizó este enfoque de "cinemática inversa" para filtrar el desorden, influencias de la mecánica cuántica dentro de un núcleo, para proporcionar una visión clara de los protones y neutrones de un núcleo, así como sus pares correlacionados de corto alcance (SRC). Estos son pares de protones o neutrones que se unen brevemente para formar gotitas superdensas de materia nuclear y que se cree que dominan los entornos ultradensos en las estrellas de neutrones.

Los resultados, publicado hoy en Física de la naturaleza , demuestran que la cinemática inversa puede usarse para caracterizar la estructura de núcleos más inestables, ingredientes esenciales que los científicos pueden usar para comprender la dinámica de las estrellas de neutrones y los procesos mediante los cuales generan elementos pesados.

"Hemos abierto la puerta para estudiar pares de SRC, no solo en núcleos estables sino también en núcleos ricos en neutrones que son muy abundantes en entornos como las fusiones de estrellas de neutrones, "dice el coautor del estudio Or Hen, profesor asistente de física en el MIT. "Eso nos acerca a la comprensión de fenómenos astrofísicos tan exóticos".

Los coautores de Hen incluyen a Jullian Kahlbow y Efrain Segarra del MIT, Eli Piasetzky de la Universidad de Tel-Aviv, e investigadores de la Universidad Técnica de Darmstadt, el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en Rusia, la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica (CEA), y el Centro GSI Helmholtz de Investigación de Iones Pesados ​​en Alemania.

Un acelerador invertido

Los aceleradores de partículas normalmente sondean las estructuras nucleares mediante la dispersión de electrones, en el que se emiten electrones de alta energía a una nube estacionaria de núcleos objetivo. Cuando un electrón golpea un núcleo, elimina protones y neutrones, y el electrón pierde energía en el proceso. Los investigadores miden la energía del haz de electrones antes y después de esta interacción para calcular las energías originales de los protones y neutrones que fueron expulsados.

Si bien la dispersión de electrones es una forma precisa de reconstruir la estructura de un núcleo, también es un juego de azar. La probabilidad de que un electrón golpee un núcleo es relativamente baja, dado que un solo electrón es extremadamente pequeño en comparación con un núcleo completo. Para aumentar esta probabilidad, los haces están cargados con densidades de electrones cada vez mayores.

Los científicos también utilizan haces de protones en lugar de electrones para sondear núcleos, ya que los protones son comparativamente más grandes y es más probable que alcancen su objetivo. Pero los protones también son más complejos, y hecho de quarks y gluones, cuyas interacciones pueden enturbiar la interpretación final del propio núcleo.

Para obtener una imagen más clara, Los físicos en los últimos años han invertido la configuración tradicional:al apuntar un haz de núcleos, o iones, en un objetivo de protones, Los científicos no solo pueden medir directamente los protones y neutrones eliminados, pero también compare el núcleo original con el núcleo residual, o fragmento nuclear, después de que ha interactuado con un protón objetivo.

"Con cinemática invertida, sabemos exactamente lo que le sucede a un núcleo cuando eliminamos sus protones y neutrones, "Dice Hen.

Tamizado cuántico

El equipo adoptó este enfoque de cinemática invertida para energías ultraaltas, utilizando la instalación del acelerador de partículas de JINR para apuntar a una nube estacionaria de protones con un haz de núcleos de carbono-12, que dispararon a 48 mil millones de electronvoltios, órdenes de magnitud más altas que las energías que se encuentran naturalmente en los núcleos.

Con energías tan altas, cualquier nucleón que interactúe con un protón se destacará en los datos, en comparación con los nucleones que no interactúan y que pasan a energías mucho más bajas. De este modo, los investigadores pueden aislar rápidamente cualquier interacción que haya ocurrido entre un núcleo y un protón.

De estas interacciones, el equipo recogió los fragmentos nucleares residuales, buscando boro-11, una configuración de carbono-12, menos un solo protón. Si un núcleo comenzó como carbono-12 y terminó como boro-11, solo podría significar que encontró un protón objetivo de una manera que noqueó a un solo protón. Si el protón objetivo eliminó más de un protón, habría sido el resultado de efectos de la mecánica cuántica dentro del núcleo que serían difíciles de interpretar. El equipo aisló el boro-11 como una firma clara y descartó cualquier encendedor, fragmentos de influencia cuántica.

El equipo calculó la energía del protón eliminado del núcleo de carbono-12 original, basado en cada interacción que produjo boro-11. Cuando ponen las energías en un gráfico, el patrón encaja exactamente con la distribución bien establecida del carbono-12, una validación de lo invertido, enfoque de alta energía.

Luego cambiaron la técnica en pares correlacionados de corto alcance, buscando para ver si podían reconstruir las energías respectivas de cada partícula en un par, información fundamental para finalmente comprender la dinámica en las estrellas de neutrones y otros objetos densos en neutrones.

Repitieron el experimento y esta vez buscaron boro-10, una configuración de carbono-12, menos un protón y un neutrón. Cualquier detección de boro-10 significaría que un núcleo de carbono-12 interactuó con un protón objetivo, que noqueó un protón, y su pareja obligada, un neutrón. Los científicos pudieron medir las energías tanto del objetivo como de los protones eliminados para calcular la energía del neutrón y la energía del par SRC original.

En todo, los investigadores observaron 20 interacciones SRC y de ellas mapearon la distribución del carbono-12 de las energías SRC, que encajan bien con experimentos anteriores. Los resultados sugieren que la cinemática inversa se puede utilizar para caracterizar pares de SRC en núcleos más inestables e incluso radiactivos con muchos más neutrones.

"Cuando todo está al revés, esto significa que un rayo que atraviesa podría estar hecho de partículas inestables con vidas muy cortas que viven por un milisegundo, "dice Julian Kahlbow, un postdoctorado conjunto en el MIT y la Universidad de Tel-aviv y coautor principal del artículo. "Ese milisegundo es suficiente para que lo creemos, déjalo interactuar, y déjalo ir. Entonces, ahora podemos agregar sistemáticamente más neutrones al sistema y ver cómo evolucionan estos SRC, que nos ayudará a informar lo que sucede en las estrellas de neutrones, que tienen muchos más neutrones que cualquier otra cosa en el universo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.