Publicado 31/08/2022 18:11

Las partículas eligen pareja de forma diferente en los núcleos pequeños

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Archivo - Representación del átomo - UNIVERSIDAD DE ADELAIDA - Archivo

   MADRID, 31 Ago. (EUROPA PRESS) -

   Los protones y neutrones que forman el núcleo del átomo se emparejan con frecuencia. Ahora, un nuevo experimento de alta precisión llevado a cabo en la Instalación Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson del Departamento de Energía de Estados Unidos ha descubierto que estas partículas pueden elegir diferentes parejas en función de la densidad del núcleo.

   Los datos, publicados en la revista 'Nature', también revelan nuevos detalles sobre las interacciones a corta distancia entre protones y neutrones en los núcleos y pueden influir en los resultados de los experimentos que tratan de desentrañar más detalles de la estructura nuclear. Los datos son un orden de magnitud más precisos que los estudios anteriores., aseguran los investigadores

   Shujie Li, autora principal del estudio e investigadora postdoctoral de física nuclear en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, explica que el experimento fue diseñado para comparar las asociaciones fugaces entre protones y neutrones, llamadas correlaciones de corto alcance, en núcleos pequeños.

   Los protones y los neutrones se denominan colectivamente nucleones. Cuando los nucleones participan en correlaciones de corto alcance, se solapan brevemente antes de separarse con un gran impulso. Las correlaciones pueden formarse entre un protón y un neutrón, entre dos protones o entre dos neutrones.

   Este experimento comparó la prevalencia de cada tipo de correlación de corto alcance en los llamados núcleos espejo de helio-3 y tritio, un isótopo del hidrógeno. Cada uno de estos núcleos contiene tres nucleones. Se consideran "núcleos espejo" porque el contenido de protones de cada uno refleja el contenido de neutrones del otro.

   "El tritio es un protón y dos neutrones, y el helio-3 es dos protones y un neutrón --explica Li--. Al comparar el tritio y el helio-3, podemos suponer que los pares neutrón-protón en el tritio son los mismos que los pares neutrón-protón en el helio-3. Y el tritio puede formar un par neutrón-neutrón adicional, y el helio-3 puede formar un par protón-protón adicional".

   En conjunto, los datos de ambos núcleos revelan la frecuencia con la que los nucleones se emparejan con otros como ellos, en comparación con los que son diferentes. "La idea simple es simplemente comparar cuántos pares tienen los dos núcleos en cada configuración", señala.

   Los investigadores esperaban ver un resultado similar al de estudios anteriores, que descubrieron que los nucleones prefieren emparejarse en una proporción de más de 20 a 1 con un tipo diferente (por ejemplo, los protones se emparejaban con neutrones 20 veces por cada vez que se emparejaban con otro protón).

   Estos estudios se realizaron en núcleos más pesados con muchos más protones y neutrones disponibles para emparejarse, como el carbono, el hierro y el plomo. "La proporción que extrajimos en este experimento es de cuatro pares neutrón-protón por cada par protón-protón o neutrón-neutrón", revela Li.

   Según John Arrington, portavoz del experimento y científico del Laboratorio de Berkeley, este sorprendente resultado está proporcionando nuevos conocimientos sobre las interacciones entre protones y neutrones en los núcleos. "En este caso, descubrimos que la contribución protón-protón es mucho, mucho mayor de lo esperado. Así que se plantean algunas preguntas sobre lo que es diferente aquí", apunta.

   Una de las ideas es que las interacciones entre los nucleones son el motor de esta diferencia, y estas interacciones se ven modificadas en cierta medida por la distancia entre los nucleones en el tritio frente al helio-3 frente a los núcleos muy grandes.

   "En la interacción nucleón-nucleón, existe la pieza 'tensor', que genera pares neutrón-protón. Y hay un "núcleo" de menor alcance que puede generar pares protón-protón --explica--. Cuando los nucleones están más separados, como en estos núcleos muy ligeros, se puede obtener un equilibrio diferente entre estas interacciones".

   Las diferencias en las distancias medias entre los posibles nucleones correlacionados pueden influir mucho en las partículas que eligen para emparejarse en una correlación de corto alcance superpuesta. Como referencia, un protón mide algo menos de un femtómetro, o fermi, de ancho.

   La parte tensorial de la interacción de corto alcance, de mayor distancia, domina cuando las partículas se solapan del orden de medio fermi, o sea, un solapamiento de media partícula. La parte del núcleo de menor alcance de la interacción domina a medida que las partículas se solapan en su mayor parte a una fermi.

   Así, afirma que nuevas investigaciones sobre este tema ayudarán a comprobar esta idea. Mientras tanto, los investigadores están estudiando si el resultado tendrá un impacto en otras mediciones. Por ejemplo, en los experimentos de dispersión inelástica profunda, los físicos nucleares utilizan colisiones duras de corta distancia para explorar la estructura de los nucleones.

   "Estamos impulsando la precisión en los experimentos sobre la estructura nuclear, por lo que estos efectos aparentemente pequeños pueden llegar a ser muy importantes a medida que continuamos produciendo resultados de alta precisión en el laboratorio Jefferson --anunca Douglas Higinbotham, un portavoz del experimento y científico del laboratorio Jefferson--. Así que, si los efectos nucleares no sólo son persistentes sino inesperados en los núcleos ligeros, eso significa que puedes tener cosas inesperadas en tus resultados de dispersión inelástica profunda".

   "Seguimos haciendo nuevas mediciones en núcleos conocidos que son relevantes para la estructura nuclear y encontramos sorpresas. Así que el hecho de que sigamos encontrando sorpresas en un núcleo simple es muy interesante --comenta Arrington--. Realmente queremos entender de dónde viene, porque tiene que decirnos algo sobre la forma en que los nucleones interactúan a corta distancia, lo que es difícil de medir en cualquier otro lugar que no sea el Jefferson Lab".

   Este experimento se llevó a cabo en la Instalación del Acelerador de Haz de Electrones Continuo (CEBAF) del Laboratorio Jefferson, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia, en su Sala Experimental A. Contó con un blanco de tritio único que fue diseñado para una serie de experimentos raros, y utilizó una táctica diferente para capturar un conjunto de datos que es un factor de 10 más preciso que los experimentos anteriores: medir sólo los electrones que rebotaron en un nucleón correlacionado dentro de los núcleos del espejo.

   "Al observar el tritio y el helio-3, pudimos utilizar la dispersión inclusiva, y eso nos da estadísticas mucho más altas que otras mediciones. Es una oportunidad única, y un gran diseño, y un gran esfuerzo del proyecto del tritio para obtener este resultado", añade Li.

   Los físicos nucleares quieren seguir este resultado con mediciones adicionales en núcleos más pesados. Los experimentos anteriores en estos núcleos utilizaron electrones de alta energía generados en el CEBAF. Los electrones rebotaban de protones o neutrones comprometidos en una correlación de corto alcance y se medía la "triple coincidencia" del electrón saliente, el protón golpeado y la pareja correlacionada.

   Uno de los retos de este tipo de medición de la correlación de corto alcance de dos núcleos es captar las tres partículas. Sin embargo, se espera que las futuras mediciones puedan captar las correlaciones de corto alcance de tres núcleos para obtener una visión aún más detallada de lo que ocurre en el interior del núcleo.

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