Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han desvelado un método innovador para investigar la estructura interna de los núcleos atómicos, utilizando los electrones de las moléculas como «mensajeros» precisos. Este enfoque innovador, descrito en la edición del 23 de octubre de Cienciapromete revolucionar la física nuclear al ofrecer una alternativa de mesa compacta a los aceleradores de partículas tradicionales de alta energía.
La técnica se centra en moléculas de monofluoruro de radio (RaF), formadas uniendo átomos de radio con átomos de fluoruro. En estas moléculas, el entorno confinado amplifica los campos eléctricos experimentados por los electrones del átomo de radio, obligándolos a entrar brevemente en el núcleo durante su movimiento orbital. Midiendo minuciosamente cambios sutiles en los niveles de energía de los electrones, los científicos pudieron mapear la distribución de la magnetización nuclear y distinguir las interacciones entre los electrones y los protones y neutrones del núcleo.
«Este método transforma la molécula en un colisionador de partículas microscópicas, lo que nos permite sondear el núcleo con una precisión sin precedentes», explica Ronald García Ruiz, profesor asistente de física en el MIT y autor principal del estudio. El núcleo de radio, caracterizado por su inusual asimetría en carga y masa, sirve como un candidato ideal para amplificar posibles violaciones de simetrías fundamentales en física. Estas asimetrías podrían proporcionar una idea de por qué el universo muestra una preferencia por la materia sobre la antimateria, un enigma de larga data en la física de partículas.
Los métodos convencionales de exploración del interior nuclear se basan en instalaciones masivas, como instalaciones de kilómetros de largo, que aceleran los haces de electrones a velocidades cercanas a la luz para colisionar con los núcleos objetivo. Estas configuraciones requieren mucha mano de obra y su aplicabilidad está limitada a tipos de átomos específicos. Por el contrario, el enfoque del equipo del MIT utiliza la dinámica inherente de los enlaces moleculares para facilitar las interacciones electrón-núcleo, evitando la necesidad de dicha infraestructura.
El estudio, dirigido por el ex postdoctorado del MIT Shane Wilkins y en coautoría con Silviu-Marian Udrescu, PhD ’24, implicó la producción de cantidades diminutas de moléculas RaF, lo que supone un desafío debido a la radiactividad del radio y su corta vida media. A pesar de estas limitaciones, los investigadores lograron mediciones de alta resolución, confirmando la penetración de los electrones en el núcleo y revelando la distribución espacial de las fuerzas nucleares. Las aplicaciones futuras pueden extenderse al mapeo de distribuciones de fuerzas dentro de los núcleos de radio, mejorando la búsqueda de fenómenos de ruptura de simetría.
Este desarrollo une la física atómica, nuclear y de partículas, acelerando potencialmente los descubrimientos en fuerzas fundamentales y sistemas cuánticos. Como señaló García Ruiz: «Observar el núcleo de un átomo de radio para sondear estas simetrías es intrínsecamente complejo, pero esta plataforma molecular nos proporciona una nueva y poderosa lente».
La investigación contó con el apoyo del Departamento de Energía de EE. UU. y otras agencias de financiación. Más detalles están disponibles en el Ciencia publicación (DOI: 10.1126/science.adm7717).
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