Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desvelado una técnica innovadora que permite explorar el núcleo atómico utilizando sus propios electrones como comunicadores. Este enfoque innovador, descrito en una publicación reciente en CienciaMarca un avance significativo en este campo, permitiendo experimentos más compactos en física nuclear.
En su investigación, el equipo se centró en el monofluoruro de radio, un compuesto formado por la unión química de átomos de radio y fluoruro. Midieron minuciosamente los niveles de energía de los electrones que orbitan alrededor del átomo de radio dentro de este marco molecular. Esta disposición imita efectivamente un colisionador de partículas en miniatura, lo que brinda a los investigadores la capacidad de atrapar los electrones y monitorear si ocasionalmente ingresan al núcleo e interactúan con sus componentes.
Históricamente, la investigación del interior de los núcleos ha requerido el uso de enormes aceleradores repartidos a lo largo de kilómetros, lo que provocaba que los haces de electrones colisionaran con los núcleos a un ritmo acelerado. Los investigadores del MIT han transformado este paradigma, creando un método más accesible para investigar directamente las estructuras nucleares utilizando un enfoque centrado en las moléculas.
Al estudiar el monofluoruro de radio, los investigadores registraron pequeños cambios de energía en los electrones orbitales, lo que sugiere que algunos de estos electrones se aventuraron en el núcleo y captaron cambios de energía que transmiten información crucial sobre las características 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 propiedad en el radio por primera vez, lo que podría arrojar 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 señala que sus hallazgos proporcionan una base esencial para futuros estudios destinados a medir las violaciones de las simetrías fundamentales a nivel nuclear, respondiendo potencialmente a preguntas urgentes de 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 contener partes casi iguales de ambos. Sin embargo, el universo observable se compone casi exclusivamente de materia. Esta disparidad sugiere que se necesitan fuentes adicionales de violación de la simetría fundamental para explicar la escasez de antimateria. El radio, con su núcleo de forma única, es particularmente prometedor en este sentido, ya que los teóricos creen que el núcleo asimétrico en forma de pera podría amplificar las señales de tales violaciones, haciéndolas detectables.
Los desafíos que supone examinar un núcleo de radio son muchos, ya que el elemento es naturalmente radiactivo y tiene una vida útil corta. La capacidad de los investigadores para crear monofluoruro de radio en pequeñas cantidades requiere técnicas de medición excepcionalmente sensibles para capturar interacciones relevantes.
El equipo utilizó ingeniosamente el entorno molecular para limitar y mejorar el comportamiento de los electrones del radio. Al incorporar un átomo de radio en una molécula, los campos eléctricos internos experimentados por los electrones se amplificaron significativamente en comparación con lo que se puede generar en experimentos de laboratorio. Esta configuración convirtió efectivamente a la molécula en un colisionador de partículas a gran escala, aumentando la posibilidad de interacciones de electrones con el núcleo.
El proceso de creación de monofluoruro de radio implicó emparejar átomos de radio con fluoruro, lo que dio como resultado electrones exprimidos que tendrían más probabilidades de interactuar con el núcleo. Después de esto, los investigadores capturaron y enfriaron cuidadosamente las moléculas, las maniobraron a través de cámaras de vacío y las iluminaron con luz láser sintonizada para interactuar con las moléculas. Estas mediciones precisas de las energías de los electrones revelaron discrepancias sutiles, que apuntan a interacciones con el núcleo que no se explicaban únicamente por influencias externas.
García Ruiz compara este descubrimiento con el desafío de medir un campo eléctrico en una batería. Aunque es posible realizar mediciones externas, examinar la batería presenta problemas mucho mayores. Su técnica abre ahora un camino para mapear la distribución de fuerzas dentro del núcleo, y futuros experimentos apuntarán a monitorear las orientaciones de los núcleos de radio a temperaturas más bajas para realizar mediciones más precisas.
De cara al futuro, los investigadores pretenden explorar más a fondo las propiedades del radio, ya que las moléculas que contienen radio se muestran prometedoras como sistemas altamente sensibles para detectar violaciones de las simetrías fundamentales inherentes a la naturaleza. Con esta nueva metodología, el equipo está bien posicionado para comenzar esta investigación y potencialmente descubrir nuevas verdades sobre la estructura de nuestro universo. Su trabajo cuenta con el apoyo parcial del Departamento de Energía de Estados Unidos.
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