El núcleo atómico es un lugar ocupado. Los protones y neutrones que lo componen chocan ocasionalmente y se separan brevemente con un gran impulso antes de volver a unirse como los dos extremos de una banda elástica estirada. Utilizando una nueva técnica, los físicos que estudian estas colisiones energéticas en núcleos ligeros encontraron algo sorprendente:los protones chocan con sus compañeros protones y los neutrones con sus compañeros neutrones con más frecuencia de lo esperado.

El descubrimiento fue realizado por un equipo internacional de científicos que incluye investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía, utilizando la Instalación Aceleradora de Haz de Electrones Continuos en la Instalación Aceleradora Nacional Thomas Jefferson del DOE (Laboratorio Jefferson) en Virginia. Se informó en un artículo publicado hoy en la revista Nature .

Comprender estas colisiones es importante para interpretar datos en una amplia gama de experimentos de física que estudian partículas elementales. También ayudará a los físicos a comprender mejor la estructura de las estrellas de neutrones:núcleos colapsados ​​de estrellas gigantes que se encuentran entre las formas de materia más densas del universo.

John Arrington, un científico de Berkeley Lab, es uno de los cuatro portavoces de la colaboración, y Shujie Li, el autor principal del artículo, es un posdoctorado de Berkeley Lab. Ambos están en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab.

Los protones y los neutrones, las partículas que forman los núcleos atómicos, se denominan colectivamente nucleones. En experimentos anteriores, los físicos estudiaron colisiones energéticas de dos nucleones en un puñado de núcleos que van desde el carbono (con 12 nucleones) hasta el plomo (con 208). Los resultados fueron consistentes:las colisiones protón-neutrón constituyeron casi el 95 % de todas las colisiones, y las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón representaron el 5 % restante.

El nuevo experimento en Jefferson Lab estudió colisiones en dos "núcleos espejo" con tres nucleones cada uno, y encontró que las colisiones protón-protón y neutrón-neutrón fueron responsables de una parte mucho mayor del total, aproximadamente el 20%. "Queríamos hacer una medición significativamente más precisa, pero no esperábamos que fuera radicalmente diferente", dijo Arrington.

Usar una colisión para estudiar otra

Los núcleos atómicos a menudo se representan como grupos apretados de protones y neutrones pegados, pero estos nucleones en realidad están orbitando constantemente entre sí. "Es como el sistema solar pero mucho más poblado", dijo Arrington. En la mayoría de los núcleos, los nucleones pasan alrededor del 20 % de sus vidas en estados excitados de alto impulso resultantes de colisiones de dos nucleones.

Para estudiar estas colisiones, los físicos golpean los núcleos con haces de electrones de alta energía. Al medir la energía y el ángulo de retroceso de un electrón disperso, pueden inferir qué tan rápido debe haberse movido el nucleón que golpeó. "Es como la diferencia entre hacer rebotar una pelota de ping-pong en un parabrisas en movimiento o en un parabrisas estacionario", dijo Arrington. Esto les permite identificar eventos en los que un electrón se dispersó de un protón de alto impulso que chocó recientemente con otro nucleón.

En estas colisiones electrón-protón, el electrón entrante acumula suficiente energía para expulsar por completo al protón ya excitado del núcleo. Esto rompe la interacción similar a una banda elástica que normalmente controla el par de nucleones excitados, por lo que el segundo nucleon también escapa del núcleo.

En estudios previos de colisiones de dos cuerpos, los físicos se centraron en eventos de dispersión en los que detectaron el electrón que rebota junto con ambos nucleones expulsados. Al etiquetar todas las partículas, pudieron contar el número relativo de pares protón-protón y pares protón-neutrón. Pero tales eventos de "triple coincidencia" son relativamente raros, y el análisis requirió una contabilidad cuidadosa de las interacciones adicionales entre los nucleones que podrían distorsionar el conteo.

Los núcleos de espejo aumentan la precisión

Los autores del nuevo trabajo encontraron una forma de establecer el número relativo de pares protón-protón y protón-neutrón sin detectar los nucleones expulsados. El truco consistía en medir la dispersión de dos "núcleos espejo" con el mismo número de nucleones:tritio, un isótopo raro de hidrógeno con un solo protón y dos neutrones, y helio-3, que tiene dos protones y un solo neutrón. El helio-3 se parece al tritio con protones y neutrones intercambiados, y esta simetría permitió a los físicos distinguir las colisiones que involucran protones de las que involucran neutrones al comparar sus dos conjuntos de datos.

El esfuerzo del núcleo del espejo comenzó después de que los físicos del Laboratorio Jefferson hicieran planes para desarrollar una celda de gas de tritio para experimentos de dispersión de electrones, el primer uso de este tipo de este isótopo raro y temperamental en décadas. Arrington y sus colaboradores vieron una oportunidad única de estudiar las colisiones de dos cuerpos dentro del núcleo de una manera nueva.

El nuevo experimento pudo recopilar muchos más datos que los experimentos anteriores porque el análisis no requirió eventos raros de triple coincidencia. Esto permitió al equipo mejorar la precisión de las mediciones anteriores por un factor de diez. No tenían motivos para esperar que las colisiones de dos nucleones funcionaran de manera diferente en el tritio y el helio-3 que en los núcleos más pesados, por lo que los resultados fueron toda una sorpresa.

Los misterios de la fuerza fuerte permanecen

La fuerza nuclear fuerte se entiende bien en el nivel más fundamental, donde gobierna partículas subatómicas llamadas quarks y gluones. Pero a pesar de estos cimientos firmes, las interacciones de partículas compuestas como los nucleones son muy difíciles de calcular. Estos detalles son importantes para analizar datos en experimentos de alta energía que estudian quarks, gluones y otras partículas elementales como los neutrinos. También son relevantes para la forma en que interactúan los nucleones en las condiciones extremas que prevalecen en las estrellas de neutrones.

Arrington tiene una idea de lo que podría estar pasando. El proceso de dispersión dominante dentro de los núcleos solo ocurre para pares de protones y neutrones. Pero la importancia de este proceso en relación con otros tipos de dispersión que no distinguen los protones de los neutrones puede depender de la separación promedio entre los nucleones, que tiende a ser mayor en los núcleos livianos como el helio-3 que en los núcleos más pesados.

Se requerirán más mediciones utilizando otros núcleos ligeros para probar esta hipótesis. "Está claro que el helio-3 es diferente del puñado de núcleos pesados ​​que se midieron", dijo Arrington. "Ahora queremos impulsar mediciones más precisas en otros núcleos ligeros para obtener una respuesta definitiva". + Explora más

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