No es frecuente en la física nuclear que se puedan obtener claramente ambos lados de la historia, pero un experimento reciente permitió a los investigadores hacer precisamente eso. Compararon núcleos muy similares entre sí para obtener una visión más clara de cómo se organizan los componentes de los núcleos y descubrieron que aún hay más que aprender sobre el corazón de la materia. La investigación, llevado a cabo en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía, fue publicado recientemente como una lectura sugerida por los editores en Cartas de revisión física .

"Queremos estudiar la estructura nuclear, que es básicamente cómo se comportan los protones y neutrones dentro de un núcleo, "explica Reynier Cruz-Torres, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE que trabajó en el experimento como estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. "Para hacer eso, podemos medir cualquier núcleo que queramos. Pero para hacer una prueba de alta precisión de la teoría nuclear, estamos limitados a núcleos ligeros que tienen cálculos de precisión. La medición de estos núcleos ligeros es un punto de referencia para comprender la estructura nuclear en general ".

Para esta medida, los investigadores se centraron en dos de los núcleos más simples y ligeros del universo:helio e hidrógeno. Se centraron en un isótopo de helio llamado helio-3, así llamado porque contiene sólo tres componentes principales:dos protones y un neutrón. El isótopo de hidrógeno que probaron, tritio También está compuesto por tres componentes:un protón y dos neutrones.

"Son núcleos espejo. Entonces, puede asumir que los protones en helio-3 son básicamente los mismos que los neutrones en tritio y viceversa, "dice Florian Hauenstein, investigador postdoctoral conjunto en Old Dominion University y MIT.

Según los investigadores, comparando estos núcleos relativamente simples, pueden abrir una ventana a las fuertes interacciones nucleares que no se pueden duplicar en otros lugares. Eso es porque, como uno de los núcleos más ligeros y menos complicados del universo, estos núcleos son excelentes ejemplos para compararlos con las teorías del estado del arte que describen las estructuras básicas de diferentes núcleos.

"Los cálculos teóricos han estado ahí por un tiempo, pero no sabíamos lo buenos que son, "explica Dien Nguyen, investigador postdoctoral en el MIT y miembro entrante Nathan Isgur en Experimento Nuclear en Jefferson Lab. "Entonces, con esta investigación, podemos decir cuantitativamente qué tan bueno es el cálculo. Creo que es un paso realmente importante ".

Para hacer la comparación, los investigadores midieron ambos núcleos en experimentos de alta precisión en la Instalación del Acelerador de Haz Electrónico Continuo (CEBAF), una instalación para usuarios del DOE con sede en Jefferson Lab.

Los electrones de CEBAF se dirigieron a los núcleos de tritio y helio-3, donde algunos interactuaron con los protones del núcleo. Los protones impactados y los electrones que interactúan fueron luego capturados y medidos en grandes detectores llamados espectrómetros en el Salón Experimental A de Jefferson Lab.

"Usamos los espectrómetros para estudiar las propiedades de esas partículas en estado final y mirar hacia atrás al núcleo y tratar de entender qué estaba sucediendo dentro del núcleo antes de que ocurriera la reacción". "dice Cruz-Torres.

Este experimento fue desafiante e innovador, ya que se llevó a cabo en un rango más amplio de energías con una precisión sin precedentes. Además, Los datos del tritio son los primeros en estudiar estas reacciones.

Luego, los investigadores compararon la gama completa de datos de los experimentos con cálculos teóricos sobre las estructuras de los núcleos de helio-3 y tritio. Descubrieron que los datos generalmente coincidían bien con la teoría para ambos núcleos con la precisión permitida por el experimento, una hazaña que fue descrita por un investigador como un triunfo de la física nuclear moderna. Sin embargo, También se observaron diferencias en relación con algunos de los cálculos, indicando que se requieren más refinamientos en los tratamientos teóricos.

"Esperábamos que los cálculos de helio-3 al final coincidieran fácilmente con los datos, pero en realidad resultó que la sección transversal de tritio encajaba muy bien con el cálculo de la teoría, y el helio-3 no tanto en toda la gama. Entonces, tenemos que volver y mirar el helio-3, "explica Hauenstein.

Dien confirma que este resultado inesperado es ahora el ímpetu para continuar estos estudios de alta precisión de núcleos de luz en serio.

"Antes, pensamos que comprendíamos muy bien los cálculos, "dice Nguyen." Pero ahora, el resultado es lo que nos impulsa a realizar una medición aún más detallada, porque queremos asegurarnos de que tenemos un buen acuerdo con la teoría ".