En el campo de la física nuclear, los investigadores se enfrentan constantemente a acertijos que desafían nuestra comprensión del universo. Uno de esos rompecabezas se refiere al helio, un elemento simple pero intrigante. A pesar de su presencia omnipresente en el universo y su estructura nuclear aparentemente simple, el helio continúa planteando preguntas fundamentales sobre la naturaleza de las fuerzas nucleares. Recientemente, un estudio realizado por la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz arrojó nueva luz sobre este enigma. Los investigadores pudieron observar el comportamiento atípico de protones y neutrones en el núcleo de helio con una precisión sin precedentes. Su trabajo se publica en la revista cartas de revisión física.
Un desafío a la teoría establecida
El helio, el segundo elemento más abundante en el universo, es un gas noble incoloro, inodoro e insípido. Es conocido por su aparente simplicidad con dos protones y dos neutrones en su núcleo. Para observar con éxito el comportamiento de estas partículas, los autores realizaron un experimento innovador. Dirigieron un haz de electrones a un recipiente lleno de átomos de helio. El impacto de los electrones excitó los núcleos de helio, provocando que se expandieran temporalmente, un fenómeno comparable a la inhalación de un pecho hinchado.
Sin embargo, la reacción de los protones y neutrones en el núcleo de helio a este haz de electrones reveló una sorpresa. En lugar de comportarse como predijo la teoría, estas partículas reaccionaron de formas significativamente diferentes. Esta discrepancia no se debe a la incertidumbre experimental, sino que indica una brecha en nuestra comprensión de la física de baja energía. Esto pone de relieve nuestra falta de conocimiento de las interacciones nucleares entre partículas.
Una divergencia por explorar
La discrepancia entre la teoría y el experimento se hizo evidente en 2013, según los cálculos realizados por Sonia Bacca. Se fabricaron en el Acelerador Nacional de Partículas TRIUMF de Canadá. Bacca y su equipo utilizaron métodos avanzados para modelar el comportamiento de protones y neutrones en helio excitado. Sus resultados, que difieren significativamente de los datos experimentales, revelaron una gran inconsistencia.
Para evaluar el impacto de la incertidumbre experimental en la divergencia observada, Simon Kegel y su equipo realizaron un experimento más riguroso. Su objetivo era determinar la verdadera fuente de esta discrepancia. Para ello, utilizaron el acelerador de electrones MAMI de la universidad. Es una herramienta de vanguardia para el estudio de las interacciones partícula-partícula.
Por lo tanto, el equipo dirigió un haz de electrones a un recipiente lleno de átomos de helio. El impacto de los electrones provocó la excitación de los núcleos de helio. Los ponen en un estado particular conocido como monopolo isoescalar. En este estado, el núcleo de helio se comporta como una esfera que se expande y se contrae. Pero conserva su simetría esférica.
Para ilustrar este fenómeno, Sonia Bacca ofreció una analogía en un comunicado de prensa: “ Imagine el núcleo como una esfera que cambia de radio, expandiéndose y encogiéndose, manteniendo la simetría esférica. “. Esta descripción ofrece una imagen clara de la compleja dinámica del núcleo de helio, sometido a la excitación por un haz de electrones.
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¿Hacia una nueva comprensión del helio?
La fuente exacta de la discrepancia entre la teoría y el experimento sigue siendo un misterio para los científicos. Sonia Bacca planteó la hipótesis de que esta discrepancia podría deberse a ” elementos de interacción faltantes o mal calibrados en nuestra comprensión actual de las fuerzas nucleares. Es una sugerencia que, si se confirma, podría tener profundas implicaciones para la física nuclear.
Con la esperanza de resolver este misterio, los investigadores esperan ansiosamente la puesta en servicio del nuevo Acelerador Superconductor de Recolección de Energía (MESA) de Mainz en 2024. Este acelerador producirá haces de electrones con una intensidad mucho mayor que la del acelerador actual. Pero aún funcionará con las bajas energías necesarias para este tipo de experimento. Este enfoque contrasta con el de aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones. Este último busca alcanzar energías mucho más altas para descubrir nuevas partículas exóticas.
Sin embargo, a pesar de esta diferencia de enfoque, el acelerador MESA podría desempeñar un papel crucial para resolver el rompecabezas del helio. Los haces de electrones de alta intensidad que producirá permitirán mediciones aún más precisas. Les darán a los investigadores una visión aún más detallada de la frontera de baja energía del modelo estándar.
Como recordatorio, el Modelo Estándar es la teoría que describe las partículas elementales y sus interacciones. Comprende seis quarks, seis leptones, cuatro fuerzas fundamentales (gravedad, electromagnetismo, fuerza fuerte y fuerza débil) y sus partículas de fuerza asociadas. Si bien ha tenido un gran éxito al explicar los fenómenos observados, no entiende la gravedad ni la materia oscura. Los nuevos datos podrían ser la clave para develar el misterio de la divergencia observada en el núcleo de helio.
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Fuente: S. Kegel y otros, “La medición del factor de forma de transición del monopolio de partículas α desafía la teoría: ¿un rompecabezas de baja energía para las fuerzas nucleares?”, Física Rev. dejar. 130, 152502
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