Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desvelado una técnica innovadora que les permite explorar un núcleo atómico utilizando sus propios electrones como comunicadores. Este enfoque innovador se describe en una publicación reciente en Cienciarepresenta un avance significativo en el campo que permite experimentos más compactos en física nuclear.
En su estudio, el equipo se centró en el monofluoruro de radio, un compuesto formado por la unión química de átomos de radio y fluoruro. Midieron con precisión los niveles de energía de los electrones que orbitan alrededor del átomo de radio en este marco atómico. La configuración imita efectivamente un colisionador de partículas en miniatura, lo que brinda a los investigadores la capacidad de confinar electrones y determinar si ocasionalmente penetran en el núcleo e interactúan con sus componentes.
Históricamente, la investigación del interior nuclear ha requerido el uso de aceleradores masivos dispersos a lo largo de kilómetros que aceleran los haces de electrones para provocar colisiones con los núcleos. Los investigadores del MIT han cambiado este paradigma y utilizan un enfoque centrado en las moléculas para proporcionar un método más accesible para investigar directamente las estructuras nucleares.
Al estudiar el monofluoruro de radio, los investigadores registraron pequeños cambios de energía en los electrones orbitales, lo que indica que algunos de estos electrones entraron en el núcleo y recuperaron cambios de energía que podrían transmitir información crucial sobre las propiedades internas del núcleo. Este método allana el camino para medir la “distribución magnética” nuclear, donde la orientación de los protones y neutrones individuales (cada uno de los cuales actúa como pequeños imanes) depende de su disposición espacial. El equipo pretende mapear esta característica en el radio por primera vez, arrojando luz sobre uno de los misterios perdurables del cosmos: el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo.
El coautor Ronald Fernando García Ruiz afirma que sus hallazgos proporcionan la base necesaria para futuros estudios destinados a medir las violaciones de las simetrías fundamentales a nivel atómico, abordando eficazmente cuestiones apremiantes en la física moderna.
Un aspecto desconcertante de la cosmología contemporánea es el desequilibrio entre materia y antimateria. Los marcos teóricos, incluido el modelo estándar de física de partículas, predicen que el universo primitivo debería tener partes aproximadamente iguales de ambos. Sin embargo, el universo observable se compone casi exclusivamente de materia. Esta discrepancia sugiere que se requieren fuentes adicionales de ruptura de la simetría fundamental para explicar la escasez de antimateria. El radio, con su núcleo de forma única, es particularmente prometedor en este sentido, y los teóricos creen que su núcleo asimétrico en forma de pera mejoraría las señales de tales aberraciones, haciéndolas detectables.
Los desafíos de observar el núcleo de radio son grandes porque el elemento es naturalmente radiactivo y tiene una vida corta. La capacidad de los investigadores para crear pequeñas cantidades de monofluoruro de radio requirió técnicas de medición excepcionalmente sensibles para capturar las interacciones relevantes.
El equipo manipuló hábilmente el entorno atómico para restringir y amplificar el comportamiento de los electrones del radio. Al incorporar un átomo de radio a la molécula, los campos eléctricos internos experimentados por los electrones se intensificaron significativamente en comparación con los generados en experimentos de laboratorio. Esta configuración convierte al átomo en un colisionador de partículas a gran escala, aumentando las posibilidades de que los electrones interactúen con el núcleo.
El proceso para crear monofluoruro de radio implica emparejar átomos de radio con fluoruro, lo que da como resultado electrones comprimidos que tienen más probabilidades de interactuar con el núcleo. Después de esto, los investigadores atraparon y enfriaron cuidadosamente las moléculas, las maniobraron a través de cámaras de vacío y las iluminaron con luz láser diseñada para enganchar las moléculas. Estas mediciones precisas de las energías de los electrones revelaron diferencias sutiles, lo que indicaba interacciones con el núcleo que no podían explicarse únicamente por efectos externos.
García Ruiz compara el descubrimiento con el desafío de medir el campo eléctrico dentro de una batería: si bien las mediciones externas son posibles, sondear el interior es más difícil. Si bien su técnica ahora abre una manera de mapear la distribución de energía dentro del núcleo, futuros experimentos apuntan a controlar las orientaciones de los núcleos de radio a bajas temperaturas para realizar mediciones más precisas.
Los investigadores esperan seguir explorando las propiedades del radio, ya que las moléculas que contienen radio prometen ser sistemas muy sensibles para detectar violaciones de las simetrías fundamentales inherentes a la naturaleza. Con esta nueva metodología, el equipo está bien posicionado para comenzar estas investigaciones, que potencialmente descubrirán nuevas verdades sobre la estructura de nuestro universo. Su trabajo cuenta con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU.
