Sondeando la física fundamental de los átomos y las estrellas de neutrones

Los científicos pueden utilizar los radios de carga de un par de núcleos espejo como una forma de estudiar la naturaleza de las estrellas de neutrones. Este par se muestra en la ilustración del espejo. Crédito: Instalación para haces de isótopos raros
Los científicos pueden utilizar los radios de carga de un par de núcleos espejo como una forma de estudiar la naturaleza de las estrellas de neutrones. Este par se muestra en la ilustración del espejo. Crédito: Instalación para haces de isótopos raros

La teoría y los experimentos desarrollados en Michigan utilizan “espejos núcleos” para investigar la física fundamental de átomos y estrellas de neutrones.

Hace unos 20 años, B. Alex Brown de la Universidad Estatal de Michigan tuvo la idea de revelar ideas sobre una fuerza fundamental pero enigmática que actúa en algunos de los entornos más extremos del universo.

Estos entornos incluyen el núcleo de un átomo y los cuerpos celestes conocidos como estrellas de neutrones, los cuales se encuentran entre los objetos más densos conocidos por la humanidad. 

A modo de comparación, igualar la densidad de una estrella de neutrones requeriría exprimir toda la masa de la Tierra en un espacio del tamaño de un estadio de fútbol.

La teoría de Brown estableció los planos para conectar las propiedades de los núcleos a las estrellas de neutrones, pero construir ese puente con experimentos sería un desafío. 

Se necesitarían años y las capacidades únicas de Thomas Jefferson National Accelerator Facility. La instalación, también conocida como Jefferson Lab, es una Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE.UU. 

Así que los experimentalistas se pusieron a trabajar en una serie de estudios de décadas y Brown volvió en gran medida a sus otros proyectos.

Eso es, hasta 2017. Fue entonces cuando dijo que comenzó a pensar en los hermosos experimentos de precisión realizados por el grupo de su colega Kei Minamisono en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, o NSCL, y en un futuro cercano en la Instalación de Rayos de Isótopos Raros, o FRIB. FRIB es una instalación para usuarios del DOE-SC en MSU que comenzará a funcionar como usuarios científicos a principios de 2022.

“Es asombroso cómo te llegan nuevas ideas”, dijo Brown, profesor de física en FRIB y en el Departamento de Física y Astronomía de MSU.

El objetivo de esta nueva idea era lo mismo que su teoría anterior, pero ahora buscaba probarse utilizando lo que se conoce como “núcleos espejo” para proporcionar un camino más rápido y sencillo.

De hecho, el 29 de octubre de 2021, el equipo publicó un artículo en la revista Physical Review Letters  basado en datos de un experimento que tardó unos días en ejecutarse. 

Esto viene inmediatamente después de nuevos datos de los experimentos de Jefferson Lab que tardaron años en adquirirse.

Es bastante increíble. Puede hacer experimentos que demoren algunos años en ejecutarse y experimentos que demoren algunos días y obtengan resultados muy similares.

Brown

Para ser claros, los experimentos en Michigan y Virginia no compiten. 

Por el contrario, Krishna Kumar, miembro y ex presidente de la Organización de Usuarios de Laboratorio de Jefferson, calificó los experimentos de “maravillosamente complementarios”.

Una comparación detallada de estas medidas nos permitirá probar nuestras suposiciones y aumentar la solidez de conectar la física de los núcleos muy pequeños con la física de las estrellas de neutrones muy grandes. El progreso realizado tanto en el experimento como en la teoría sobre este amplio tema subraya la importancia y la singularidad de las capacidades de Jefferson Lab y NSCL, y el futuro traerá más ejemplos a medida que se lleven a cabo nuevas mediciones en FRIB.

Kumar

Estos proyectos también subrayan la importancia de que los teóricos y los experimentales trabajen juntos, especialmente cuando abordan los misterios fundamentales del universo. 

Fue este tipo de colaboración el que inició los experimentos de Jefferson Lab hace 20 años, y es este tipo de colaboración el que impulsará futuros descubrimientos en FRIB.

Un espejo para examinar la piel de neutrones.

Una de las ironías aquí es que Brown no ha pasado mucho de su tiempo trabajando en las dos teorías centrales de esta historia. Brown ha publicado más de 800 artículos científicos durante su carrera, que inspiraron los experimentos en NSCL y Jefferson Lab son distintos de sus otros trabajos.

“Trabajo en muchas cosas y estos son trabajos muy aislados”, dijo Brown. A pesar de eso, Brown los compartió rápidamente. “Escribí ambos artículos en un par de meses”.

Cuando Brown completó el borrador de su teoría de 2017, inmediatamente lo compartió con Minamisono.

“Recuerdo que estaba en una conferencia cuando recibí el correo electrónico de Alex”, dijo Minamisono, físico senior de FRIB. “Estaba tan emocionado cuando leí ese periódico”.

La emoción provino del conocimiento de Minamisono de que su equipo podría dirigir los experimentos para probar las ideas del artículo y de las implicaciones de la teoría para el cosmos.

“Esto se conecta a las estrellas de neutrones y eso es muy emocionante como experimentalista”, dijo Minamisono.

Las estrellas de neutrones son más masivas que nuestro sol, pero son tan grandes como la isla de Manhattan. Los investigadores pueden realizar mediciones precisas de la masa de las estrellas de neutrones, pero obtener números exactos para sus diámetros es un desafío.

Una mejor comprensión del empuje y tracción de las fuerzas dentro de las estrellas de neutrones mejoraría estas estimaciones de tamaño, que es donde entra en juego la física nuclear.

Una estrella de neutrones nace cuando una estrella muy grande se convierte en supernova y explota, dejando atrás un núcleo que aún es más masivo que nuestro sol. La gravedad de este enorme sobrante hace que se derrumbe sobre sí mismo. A medida que colapsa, la estrella también comienza a convertir su materia, la materia que la compone, en neutrones.

Hay una fuerza entre los neutrones, conocida como interacción fuerte, que actúa contra la gravedad y ayuda a frenar el colapso. Esta fuerza también actúa en los núcleos atómicos, que están formados por neutrones y partículas conocidas como protones.

“Conocemos la gravedad, por supuesto. Allí no hay problema ”, dijo Brown. “Pero no estamos tan seguros de cuál es la interacción fuerte para los neutrones puros. No hay laboratorio en la Tierra que tenga neutrones puros, por lo que hacemos inferencias a partir de cosas que vemos en núcleos que tienen tanto protones como neutrones ”.

En los núcleos atómicos, los neutrones sobresalen un poco, formando una capa delgada de solo neutrones que se extiende más allá de los protones. 

Esto se llama piel de neutrones. La medición de la piel de neutrones permite a los investigadores aprender sobre la fuerza fuerte y, por extensión, las estrellas de neutrones.

En los experimentos del Jefferson Lab, los investigadores enviaron electrones a los núcleos de plomo y calcio.

Basándose en cómo los electrones se dispersan o se desvían de los núcleos, los científicos podrían calcular los límites superior e inferior para el tamaño de la piel del neutrón.

Para los experimentos de NSCL, el equipo necesitaba medir cuánto espacio ocupan los protones en un núcleo de níquel específico. 

A esto se le llama radio de carga. En particular, el equipo examinó el radio de carga del níquel-54, un núcleo o isótopo de níquel con 26 neutrones. (Todos los isótopos de níquel tienen 28 protones, y los que tienen 26 neutrones se llaman níquel-54 porque los dos números suman 54).

Lo que tiene de especial el níquel-54 es que los científicos ya conocen el radio de carga de su núcleo espejo, el hierro-54, un núcleo de hierro con 26 protones y 28 neutrones.

“Un núcleo tiene 28 protones y 26 neutrones. Por el otro, está invertido ”, dijo Skyy Pineda, autor principal del nuevo artículo de investigación y estudiante de posgrado investigador del equipo de Minamisono. Al restar los radios de carga, los investigadores eliminan eficazmente los protones y quedan con esa fina capa de neutrones.

“Si toma la diferencia de los radios de carga de los dos núcleos, el resultado es la piel de neutrones”, dijo Pineda.

Para medir el radio de carga del níquel-54, el equipo recurrió a su instalación de espectroscopia láser y enfriador de haz, abreviada BECOLA. 

Usando BECOLA, los experimentadores superponen un rayo de isótopos de níquel-54 con un rayo de luz láser. 

Según la forma en que la luz interactúa con el haz de isótopos, los espartanos pueden medir el radio de carga del níquel, dijo Pineda.

Usando la teoría anterior de Brown, los científicos de Jefferson Lab necesitaban del orden de un sextillón de electrones para una medición, o un billón de billones de partículas. 

Usando la nueva teoría, los investigadores en cambio necesitan miles, tal vez millones de núcleos. 

Eso significa que las mediciones que alguna vez requirieron años pueden reemplazarse con experimentos que toman días.

Un futuro de descubrimiento construido sobre una historia de trabajo en equipo

Esta nueva investigación se siente como el paso importante por un par de formas.

Por un lado, los experimentos de Jefferson Lab están entrando en su fase final, mientras que FRIB está listo para continuar la exploración.

FRIB en sí representa otra etapa del relevo. BECOLA comenzó a funcionar en NSCL y continuará operando en FRIB.

Cada tramo se basa en el último y en el trabajo colectivo que los corredores han realizado juntos.

Una vez más, esa fórmula no es nada nuevo. Es lo que permitió a un teórico de NSCL inspirar e informar experimentos en un laboratorio de clase mundial en Virginia. 

Sin embargo, lo que se destaca de NSCL y FRIB es que las instalaciones de los usuarios están conectadas a una universidad, lo que permite que los veteranos y la próxima generación de líderes interactúen y compartan ideas mucho antes.

“MSU es única por haber tenido NSCL y ahora FRIB. En la mayoría de los casos, laboratorios como estos no están integrados en un campus universitario ”, dijo Kristian Koenig, investigador postdoctoral del equipo de Minamisono y coautor principal del nuevo artículo. “Les da a todos aquí una gran oportunidad”.

Referencia: “Charge Radius of Neutron-Deficient 54Ni and Symmetry Energy Constraints Using the Difference in Mirror Pair Charge Radii” by Skyy V. Pineda, Kristian König, Dominic M. Rossi, B. Alex Brown, Anthony Incorvati, Jeremy Lantis, Kei Minamisono, Wilfried Nörtershäuser, Jorge Piekarewicz, Robert Powel and Felix Sommer, 29 October 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.182503

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