El núcleo atómico es un lugar inusual. Se sabe que contiene protones y neutrones. Estas partículas, o
Misterios de la interacción fuerte, quedetermina el movimiento de estas partículas, obliga a los científicos a buscar nuevas formas de observar el interior del átomo para entender qué está pasando allí. Los físicos idearon un nuevo método que utiliza átomos espejo y descubrieron que los protones chocan con sus compañeros protones y los neutrones con sus compañeros neutrones, con más frecuencia de lo esperado.
¿Qué es una interacción fuerte?
La fuerza nuclear fuerte es una deinteracciones fundamentales junto con la gravedad, el electromagnetismo y la interacción débil. Se estudia mejor a nivel cuántico. La cromodinámica cuántica describe la interacción entre los quarks (partículas elementales que componen la materia) y los gluones (portadores sin masa de la interacción fuerte).
Los científicos creen que cada quark esportador de una carga cuántica específica. Se llama color, aunque es un término convencional que nada tiene que ver con las propiedades ópticas. Además, tiene un vector de estado definido en un espacio de color 3D complejo.
La interacción fuerte es un proceso en el quelos quarks intercambian carga (color) transportada por el gluón. A diferencia del fotón en la interacción electromagnética, que es único y no tiene carga propia, cada gluón lleva un color específico. Los investigadores identifican ocho tipos de tales partículas con diferentes cargas.
Esquema de interacción fuerte. Imagen: Manishearth, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons
Como sugiere el nombre, la fuerza fuerte esel más poderoso, pero actúa solo a distancias cortas, comparables al tamaño de un núcleo atómico y menos. Una característica sorprendente de esta interacción es que a medida que aumenta la distancia entre quarks, aumenta y, a medida que disminuye, se debilita.
Este efecto provoca el confinamiento: el bloqueo de los quarks dentro de los hadrones (partículas compuestas). Por lo tanto, un quark no puede existir en el espacio libre, sino solo como parte de partículas más complejas.
La interrupción de la interacción entre dos quarks bajo la acción de la energía conduce al nacimiento de un nuevo par de quarks y antiquarks. Animación: Manishearth, CC BY-SA 3.0, a través de Wikimedia Commons
Aunque la fuerza fuerte es la teoría mejor desarrollada en física de partículas, las interacciones de partículas compuestas como hadrones y nucleones (protones y neutrones) son muy difíciles de calcular.
¿Cómo se mide la interacción de los nucleones?
Modelo condicional de un átomo (izquierda) y helio-4 (derecha). El color gris es la nube de electrones, la imagen ampliada muestra el núcleo. Imagen derecha: Usuario: Yzmo, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons
Los núcleos atómicos a menudo se representan como densosgrupos de protones y neutrones pegados, pero de hecho estos nucleones están constantemente girando unos alrededor de otros. Al mismo tiempo, chocan y se dispersan nuevamente, pero en la "banda elástica" de interacción fuerte regresan. En la mayoría de los núcleos, los científicos estiman que los nucleones pasan alrededor del 20% de sus vidas en estados excitados de alto impulso causados por estas colisiones.
La interpretación correcta del conjunto de factores físicosLos experimentos, como los realizados en el Gran Colisionador de Hadrones y otros aceleradores de partículas, dependen de qué tan bien comprendan los científicos tales colisiones.
Para estudiarlos, los físicos trabajan ennúcleos atómicos con haces de electrones de alta energía. Si mides con qué energía y en qué dirección comenzó a moverse un electrón cuando chocó con un protón cargado positivamente de un núcleo atómico, puedes determinar qué tan rápido se movió.
Además, un electrón altamente cargado tieneimpulso suficiente para romper la interacción fuerte y sacar el protón "excitado" del núcleo atómico. En el proceso de romper la conexión, en varios casos, su "compañero" es expulsado detrás de él, la partícula con la que se encontró por última vez y que está conectada por una fuerte interacción.
En los experimentos clásicos, los físicos utilizancontando tales pares "expulsados" de dos protones, o un protón y un neutrón, para determinar cómo interactúan los nucleones en los átomos del núcleo. Los experimentos en los que se irradiaron con electrones los núcleos de varios átomos, desde el carbono con 12 nucleones hasta el plomo con 208, mostraron aproximadamente la misma distribución: casi el 95% de todas las colisiones se producen en pares de protones y neutrones, y el 5% se encuentran en la interacción entre nucleones idénticos.
La desventaja de este método es que tallas colisiones exactas en las que ambas partículas se emiten desde el núcleo son bastante raras, y otros factores pueden afectar a las partículas en los átomos. Por lo tanto, las medidas contienen pocos datos y los resultados tienen un alto error.
¿Qué mostró el experimento con núcleos de espejo?
Para sortear esta limitación, los científicos idearonNuevo método. Decidieron irradiar núcleos atómicos “espejo”. Un átomo de helio-3 (un isótopo estable de helio) tiene el mismo número de nucleones que el tritio (un isótopo de hidrógeno). Pero si en el primer caso el núcleo está formado por dos protones y un neutrón, en el segundo todo es exactamente al revés.
Los científicos se han dado cuenta de que si cada uno de estosátomos, entonces la diferencia en los conjuntos de nucleones ayudará a determinar con mayor precisión cómo interactúan entre sí los protones y neutrones de los núcleos atómicos. En el nuevo experimento fue posible recopilar muchos más datos que en los anteriores, porque el análisis no requirió eventos raros de triple coincidencia, cuando ambas partículas excitadas salieron volando del núcleo;
Los investigadores informan que el nuevo método ha aumentadoprecisión de medición 10 veces. Sin embargo, no esperaban que las interacciones de los nucleones en los átomos simples fueran muy diferentes de las complejas que se probaron en experimentos anteriores.
En un artículo publicado recientemente en la revistaNaturaleza, los físicos informan que la proporción de interacciones entre partículas idénticas (colisiones protón-protón y neutrón-neutrón) resultó ser mucho mayor: es alrededor del 20%.
Queríamos tomar medidas significativamente más precisas, pero no esperábamos que fueran muy diferentes.
John Arrington, investigador de Berkeley Lab y coautor de un nuevo artículo
Que sigue
Los investigadores creen que la diferencia enla interacción de las partículas se puede explicar precisamente por el tamaño de los núcleos. Los principales procesos de dispersión -cambios en la dirección del movimiento de las partículas cuando chocan con otras- ocurren con pares de protones y neutrones, dijo Arrington. Pero durante la irradiación, existen otras causas que pueden provocar dispersión y afectar a todo tipo de nucleones.
Por ejemplo, pueden depender de la distancia entrePartículas que son más grandes en los núcleos ligeros que en los pesados. Para confirmar esta hipótesis o encontrar una explicación alternativa, los científicos planean realizar experimentos similares con otros átomos ligeros.
Comprender los principios responsables de la interacción.partículas compuestas es de interés no sólo teórico sino también práctico. Estos detalles son importantes para el análisis de datos en experimentos de alta energía con quarks, gluones y otras partículas elementales como los neutrinos. Además, son estos procesos los que explican la interacción de los nucleones que forman las estrellas de neutrones.
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