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Núcleos atómicos destrozados: revelando sus misteriosas formas
Los físicos están utilizando colisiones de alta energía para estudiar las formas de los núcleos atómicos, lo que podría revolucionar la comprensión de los procesos químicos.
Núcleos atómicos destrozados: revelando sus misteriosas formas
Los físicos han descubierto una nueva forma de estudiar la forma de los núcleos atómicos: destruyéndolos en colisiones de alta energía. Este método podría ayudar a los científicos a comprender mejor las formas de los núcleos, lo que influye, por ejemplo, en la velocidad de formación de elementos en las estrellas y ayuda a determinar qué materiales son más adecuados como combustible nuclear.
"La forma de los núcleos influye en casi todos los aspectos del núcleo atómico y los procesos nucleares", dice Jie Meng, físico nuclear de la Universidad de Pekín en Beijing. El nuevo método de obtención de imágenes, publicado el 6 de noviembre en la revista Nature, representa "un avance importante y apasionante", afirmó Meng.
Un equipo del Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) del Laboratorio Nacional Brookhaven en Upton, Nueva York, colisionó dos haces de uranio-238 (y más tarde dos haces de oro) a energías extremas. Chocaron "tan violentamente que básicamente fundimos los núcleos hasta convertirlos en una sopa", dice el coautor Jiangyong Jia, físico de la Universidad Stony Brook de Nueva York.
El plasma caliente creado por las colisiones se expandió muy rápidamente bajo presión, lo que estaba relacionado con la forma inicial de los núcleos. Utilizando un detector llamado Solenoidal Tracker en RHIC, o STAR, que detectó el impulso de varios miles de partículas producidas por ambos tipos de colisiones y comparó los resultados con modelos, el equipo pudo "hacer retroceder el reloj para inferir la forma de los núcleos", explica Jia.
Figuras ocultas
Un núcleo atómico está formado por protones y neutrones, que ocupan niveles de energía como los electrones. En general, las partículas adoptan una forma que minimiza la energía del sistema. Al igual que una gota de agua, el núcleo puede adoptar varias formas, incluida la de una pera, una pelota de fútbol americano o una cáscara de maní. La forma de un núcleo es “muy difícil de predecir teóricamente”, afirma Jia. ella también puede con el tiempo debido a fluctuaciones cuánticas variar.
Experimentos anteriores para explorar la forma implicaron desviar iones de baja energía lejos de los núcleos. Este método, llamado excitación de Coulomb, excita los núcleos y la radiación que emiten a medida que vuelven a su estado fundamental revela aspectos de su forma. Debido a que la escala de tiempo es relativamente larga, este tipo de imágenes solo puede mostrar una imagen a largo plazo que muestre el promedio de todas las fluctuaciones de forma.
Por el contrario, el método de colisión de alta energía proporciona una imagen instantánea de los núcleos durante el impacto. Es un método más directo, lo que lo hace más adecuado para estudiar formas exóticas, afirma Jia.
La técnica confirmó que el oro tenía una forma casi esférica que era consistente de una imagen a otra. Por el contrario, la forma del uranio cambió en las instantáneas cuando los núcleos chocaron en diferentes orientaciones. Esto permitió a los investigadores calcular las longitudes relativas del núcleo de uranio en tres dimensiones, lo que sugiere que el uranio no sólo se estira sino que también se comprime ligeramente en una dimensión, similar a una pelota de fútbol americano desinflada.
"Es fascinante que haya funcionado" y que otros procesos nucleares no hayan afectado la emisión de partículas y enmascaren la deformación, dice Magdalena Zielińska, física nuclear de la Agencia Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, cerca de París.
¿Duro o blando?
Este tipo de imágenes podría ayudar a afrontar la difícil tarea de distinguir entre núcleos "rígidos", es decir, que tienen formas bien definidas, y núcleos "blandos", que fluctúan, afirma Zielińska.
Jia dice que su equipo también quiere utilizar el método para estudiar las diferencias entre iones ligeros como el oxígeno y el neón. Los núcleos de oxígeno son casi esféricos, mientras que los núcleos de neón, que transportan dos protones y dos neutrones adicionales, se consideran curvados. Comparar sus formas permitiría a los investigadores comprender cómo los protones y neutrones forman grupos en los núcleos, dijo Jia.
La información sobre la forma también puede revelar si es probable que los núcleos interactúen entre sí o sufran una reacción de fisión nuclear, y puede aumentar la probabilidad de que se produzca un proceso llamado doble sin neutrinos desintegración β para descubrir qué podría ayudar a resolver algunos misterios de larga data en física. Alrededor del 99,9% de la materia visible se encuentra en el centro de los átomos, afirma Jia. "Comprender el componente nuclear es prácticamente la base para comprender quiénes somos".
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Naturaleza de la colaboración STAR https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).