Un equipo de físicos del MIT ha desarrollado un innovador método para explorar el interior del núcleo atómico, utilizando los electrones del propio átomo como “mensajeros” dentro de una molécula. Este enfoque podría ofrecer nuevas perspectivas sobre los ingredientes fundamentales del universo.
En un estudio publicado en la revista Science, los investigadores midieron con precisión la energía de los electrones que orbitan alrededor de un átomo de radio emparejado con un átomo de flúor, formando así una molécula de monofluoruro de radio. A través de este experimento, utilizaron las condiciones dentro de las moléculas como si fueran un colisionador de partículas microscópico, lo que permitió a los electrones penetrar brevemente en el núcleo del átomo.
A diferencia de los experimentos tradicionales que requieren instalaciones masivas y complejas para acelerar electrones a altas velocidades, el nuevo método basado en moléculas ofrece una alternativa más accesible para investigar directamente el interior del núcleo atómico.
Nueva forma de medir la estructura nuclear
Durante sus investigaciones, el equipo analizó las energías de los electrones del átomo de radio mientras se movían dentro de la molécula. Detectaron un ligero cambio en la energía que sugiere que estos electrones habían interactuado momentáneamente con el núcleo atómico. Al regresar al exterior, los electrones conservaron esta alteración energética, proporcionando así un “mensaje” nuclear que puede ser analizado para entender mejor la estructura interna del núcleo.
Este método permite medir la “distribución magnética nuclear”. En el núcleo, cada protón y neutrón actúa como pequeños imanes, alineándose de manera diferente según cómo estén distribuidos. Los investigadores planean aplicar su técnica para mapear por primera vez esta propiedad en el núcleo del radio. Los hallazgos podrían ayudar a resolver uno de los grandes misterios en cosmología: ¿por qué observamos mucho más materia que antimateria en el universo?
“Nuestros resultados sientan las bases para estudios futuros que busquen medir violaciones a simetrías fundamentales a nivel nuclear”, afirma Ronald Fernando Garcia Ruiz, coautor del estudio y profesor asociado en física en el MIT. “Esto podría proporcionar respuestas a algunas preguntas apremiantes en la física moderna.”
El dilema entre materia y antimateria
Según la comprensión actual, al inicio del universo debió haber cantidades casi iguales de materia y antimateria. Sin embargo, lo que se observa es una predominancia abrumadora de materia, compuesta por protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos.
Esta discrepancia contrasta fuertemente con las predicciones del modelo estándar de la física, sugiriendo que son necesarias fuentes adicionales de violación simétrica fundamental para explicar la casi total ausencia de antimateria. Se cree que estas violaciones pueden ser detectadas en núcleos atómicos específicos como el radio.
A diferencia de otros núcleos atómicos que tienen formas esféricas, el núcleo del radio presenta una configuración asimétrica similar a una pera. Esta forma peculiar podría mejorar significativamente la capacidad para detectar violaciones a simetrías fundamentales.
Técnicas avanzadas para estudios complejos
Afrontar el desafío de investigar las simetrías fundamentales dentro del núcleo del radio no es tarea fácil. El radio es radiactivo por naturaleza y su vida útil es corta; actualmente solo se pueden producir pequeñas cantidades de moléculas de monofluoruro de radio.
"Necesitamos técnicas extremadamente sensibles para poder medirlas", explica Shane Wilkins, autor principal del estudio y exinvestigador postdoctoral en MIT. El equipo descubrió que al colocar un átomo de radio dentro de una molécula podían contener y amplificar el comportamiento de sus electrones.
"Cuando se coloca este átomo radiactivo dentro de una molécula, el campo eléctrico interno que experimentan sus electrones es mucho mayor comparado con los campos que podemos generar en un laboratorio", agrega Silviu-Marian Udrescu, coautor del estudio. "De alguna manera, la molécula actúa como un colisionador gigante y nos brinda mejores oportunidades para investigar el núcleo del radio."
Evidencias claras a partir del análisis energético
En su investigación reciente, el equipo emparejó átomos de radio con átomos de flúor para crear moléculas. Descubrieron que en este compuesto, los electrones del radio estaban efectivamente comprimidos, aumentando así las probabilidades de interacción con el núcleo atómico.
A través del uso cuidadoso de láseres y sistemas complejos bajo condiciones controladas, lograron medir con precisión las energías electrónicas dentro de cada molécula. Al analizar estos datos, encontraron diferencias significativas respecto a lo esperado si no hubiera habido penetración nuclear.
"Ahora tenemos pruebas concretas sobre nuestra capacidad para muestrear dentro del núcleo", concluye Garcia Ruiz. "Es como medir el campo eléctrico dentro de una batería; es mucho más complicado hacerlo desde adentro." Con miras al futuro, planean aplicar esta técnica para mapear las fuerzas internas dentro del núcleo e investigar aún más sobre las violaciones a las simetrías fundamentales.
"Las moléculas que contienen radio son sistemas excepcionalmente sensibles donde buscar violaciones a las simetrías fundamentales", añade Garcia Ruiz. "Ahora tenemos un método para llevar a cabo esa búsqueda."
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