Físicos observan el núcleo de la interacción nuclear fuerte


La fuerza nuclear fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que también incluyen la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza nuclear débil. La fuerza nuclear fuerte es responsable de unir los protones y los neutrones que forman el núcleo del átomo y, por lo tanto, el núcleo de cada átomo que construye nuestro universo visible.

En los núcleos atómicos, la mayoría de los protones y neutrones están lo suficientemente separados como para que los físicos puedan predecir con precisión sus interacciones. Sin embargo, estas predicciones son cuestionadas cuando las partículas subatómicas están tan cerca que están prácticamente una encima de la otra.

Si bien estas interacciones de distancia ultracorta son raras en la mayoría de la materia en la Tierra, definen los núcleos de las estrellas de neutrones y otros objetos astrofísicos extremadamente densos.

Ahora, un equipo internacional de físicos ha caracterizado la fuerza nuclear fuerte y las interacciones entre protones y neutrones a distancias extremadamente cortas.

Interacciones físicas
Las interacciones a distancia ultra corta entre protones y neutrones son raras en la mayoría de los núcleos atómicos.

La detección de esta clase de interacciones requiere la acumulación de átomos con una gran cantidad de electrones con energía extremadamente alta, de los cuales, una fracción de estos podría tener la posibilidad de expulsar un par de nucleones (protones o neutrones) que se mueven a una cantidad de movimiento alta, una indicación de que las partículas deben estar interactuando a distancias extremadamente cortas.

"Para hacer estos experimentos, necesitas aceleradores de partículas increíblemente potentes. Es solo recientemente cuando tenemos la capacidad de detección y entendemos los procesos lo suficientemente bien como para hacer este tipo de trabajos", dijo el Dr. Or Hen del MIT, autor principal del estudio.

Cantidad de movimiento
La cantidad de movimiento, también llamada momentum, es una magnitud física derivada de tipo vectorial que describe el movimiento de un cuerpo en cualquier teoría mecánica. En mecánica clásica, la cantidad de movimiento se define como el producto de la masa del cuerpo y su velocidad en un instante determinado.

Históricamente, el concepto se remonta a Galileo Galilei. En su obra Discursos y demostraciones matemáticas en torno a dos nuevas ciencias, usa el término italiano impeto, mientras que Isaac Newton en Principia Mathematica usa el término latino motus​ (movimiento) y vis motrix (fuerza motriz).

El estudio
El Dr. Hen y sus colegas buscaron las interacciones mediante la extracción de datos recopilados previamente por CLAS, un detector de física nuclear y de partículas ubicado en la sala experimental B del Laboratorio Jefferson en Newport News, Virginia, Estados Unidos.

El detector CLAS estuvo en operativo desde 1988 hasta 2012, y los resultados de esos experimentos han estado disponibles desde entonces para que los investigadores busquen otros fenómenos ocultos en los datos.

En el estudio, los físicos analizaron una gran cantidad de datos, que ascendieron a unos cuatro mil millones de electrones que golpearon los núcleos atómicos en el detector CLAS.

El haz de electrones estaba dirigido a láminas hechas de carbono, plomo, aluminio y hierro, cada una con átomos de proporciones variables de protones a neutrones. Cuando un electrón colisiona con un protón o con neutrón en un átomo, la energía a la que se dispersa es proporcional a la energía y la cantidad de movimiento del nucleón correspondiente.

"Si sé qué tan fuerte pateé algo y qué tan rápido salió, puedo reconstruir la cantidad de movimiento inicial de lo que fue pateado", dijo el Dr. Hen.

Con este enfoque general, los investigadores examinaron las colisiones de miles de millones de electrones y lograron aislar y calcular la cantidad de movimiento de varios cientos de pares de nucleones de movimiento alto.

Ellos llaman a estos pares "gotitas de estrellas de neutrones", porque su cantidad de movimiento, y su distancia inferida entre sí, es similar a las condiciones extremadamente densas en el núcleo de una estrella de neutrones.

Trataron a cada par aislado como una «instantánea» y organizaron varios cientos de instantáneas a lo largo de una distribución de cantidad de movimiento.

En el extremo inferior de esta distribución, observaron una supresión de pares de protón-protón, lo que indica que la fuerza nuclear fuerte actúa principalmente para atraer protones a los neutrones en la cantidad de movimiento intermedio alto y distancias cortas.

Más adelante en la distribución, los investigadores observaron una transición.

Parecía haber más pares de protones-protones y, por simetría, pares de neutrones-neutrones, lo que sugiere que, en una cantidad de movimiento más alta o distancias cada vez más cortas, la fuerza nuclear fuerte actúa no solo en protones y neutrones, sino también en protones y protones, y neutrones y neutrones.

Se entiende que esta fuerza de emparejamiento es de naturaleza repulsiva, lo que significa que a distancias cortas, los neutrones interactúan rechazándose fuertemente entre sí.

"Esta idea de un núcleo repulsivo en la fuerza nuclear fuerte es algo que aparece como esa cosa mítica que existe, pero que no sabemos cómo llegar allí, como si fuera un portal de otra realidad", dijo el Dr. Axel Schmidt, investigador posdoctoral en el MIT y la Universidad George Washington.

"Y ahora tenemos datos donde esta transición nos está mirando a la cara, y eso fue algo realmente sorprendente".

Los científicos creen que esta transición en la fuerza nuclear fuerte puede ayudar a definir mejor la estructura de una estrella de neutrones.

Otros descubrimientos
El equipo hizo dos descubrimientos adicionales.

Por un lado, sus observaciones coinciden con las predicciones de un modelo sorprendentemente simple que describe la formación de correlaciones de corto alcance debido a la fuerza nuclear fuerte.

Por otro lado, contra todas las expectativas y pronósticos, el núcleo de una estrella de neutrones se puede describir estrictamente por las interacciones entre protones y neutrones, sin necesidad de explicar explícitamente las interacciones más complejas entre los quarks y los gluones que forman los nucleones individuales.

Cuando los autores del estudio compararon sus observaciones con varios modelos físicos existentes de la fuerza nuclear fuerte, encontraron una coincidencia notable con las predicciones de Argonne V18, un modelo desarrollado por un grupo de investigación en el Laboratorio Nacional de Argonne, que consideró 18 formas diferentes en que los nucleones pueden interactuar, cuando están separados por distancias cada vez más cortas.

Esto significa que si los científicos desean calcular las propiedades de una estrella de neutrones, pueden usar este modelo particular para estimar con precisión las interacciones de la fuerza nuclear fuerte entre pares de nucleones en el núcleo.

Los nuevos datos también se pueden utilizar para comparar enfoques alternativos para modelar los núcleos de las estrellas de neutrones.

Lo que los investigadores encontraron más emocionante fue que este mismo modelo, tal como está escrito, describe la interacción de los nucleones a distancias extremadamente cortas, sin tener en cuenta explícitamente los quarks y los gluones.

Los físicos habían asumido que en ambientes extremadamente densos y caóticos, como los núcleos de estrellas de neutrones, las interacciones entre neutrones deberían dar paso a las fuerzas más complejas entre quarks y gluones.

Como el modelo no tiene en cuenta estas interacciones más complejas y sus predicciones a distancias cortas coinciden con las observaciones del equipo, es probable que el núcleo de una estrella de neutrones pueda describirse de una manera menos complicada.

"La gente asumió que el sistema es tan denso que debería considerarse como una sopa de quarks y gluones", dijo el Dr. Hen.

"Pero encontramos que incluso en las densidades más altas, podemos describir estas interacciones usando protones y neutrones; parecen mantener sus identidades y no se convierten en una bolsa de quarks. Entonces, los núcleos de las estrellas de neutrones podrían ser mucho más simples de lo que la gente pensaba. Esa es una gran sorpresa".

Referencia del documento científico:
A. Schmidt et al. 2020. Investigando el núcleo de la interacción nuclear fuerte. Nature, volumen 578, páginas540–544; doi: 10.1038 / s41586-020-2021-6

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