Uno de los elementos más simples de la naturaleza está dando a los científicos un gran dolor de cabeza después de que una nueva investigación muestra que los protones y neutrones en los átomos de helio no se comportan como la teoría sugiere que deberían. El desajuste entre las predicciones teóricas de cómo se comportan estas partículas y lo que realmente están haciendo podría apuntar a una nueva física más allá del Modelo Estándar, el modelo reinante que describe el zoológico de partículas subatómicas.
En una investigación publicada en abril en la revista Physical Review Letters, los físicos aplicaron electrones a un contenedor de átomos de helio para llevar los núcleos de helio a un estado excitado, lo que provocó que el núcleo se hinchara temporalmente, como un pecho que inhala. El equipo encontró que la respuesta de los protones y neutrones en el núcleo al haz de electrones divergió significativamente de lo que predice la teoría, lo que confirma las conclusiones extraídas de los experimentos realizados hace décadas. La nueva investigación demuestra que este desajuste es real, no un artefacto de incertidumbre experimental. En cambio, parece que los científicos simplemente no tienen una comprensión lo suficientemente firme de la física de baja energía que gobierna las interacciones entre las partículas en el núcleo.
El núcleo de helio consta de dos protones y dos neutrones. Las ecuaciones que describen el comportamiento del núcleo de helio se utilizan para todo tipo de materia nuclear y de neutrones, por lo que resolver la discrepancia podría ayudarnos a comprender otros fenómenos exóticos, como las fusiones de estrellas de neutrones.
La discrepancia entre la teoría y el experimento se hizo evidente por primera vez en 2013 después de los cálculos del núcleo de helio dirigidos por Sonia Bacca, entonces en el acelerador de partículas nacional TRIUMF de Canadá y ahora profesora en la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, y coautora del nuevo estudio. Bacca y sus colegas utilizaron técnicas mejoradas para calcular cómo se comportan los protones y neutrones en un núcleo de helio cuando son excitados por un haz de electrones, lo que arrojó cifras que divergieron significativamente de los datos experimentales. Sin embargo, los datos experimentales utilizados para la comparación se remontan a la década de 1980 y se registraron con grandes incertidumbres en las mediciones.
El autor principal del nuevo estudio, Simon Kegel, un físico nuclear que estudió el núcleo de helio para su tesis doctoral en la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia, en Alemania, señaló que las instalaciones actuales de su universidad podrían realizar estas mediciones con una precisión muy alta. “Pensamos, si puedes hacerlo un poco mejor, al menos deberíamos intentarlo”, dijo a Live Science.
Mejor pero peor
La interacción principal que mantiene unidas a las partículas en el núcleo se llama fuerza fuerte, pero una gran cantidad de efectos que se derivan de los matices de estas interacciones complican los cálculos de cómo interactúan estas partículas. Los teóricos habían simplificado el problema utilizando la “teoría del campo efectivo” (EFT), que aproxima las muchas fuerzas que actúan sobre las partículas, al igual que un archivo jpeg aproxima todos los datos en un archivo de imagen sin comprimir. La versión mejorada de EFT brinda una mejor aproximación de los efectos que complican los modelos de las interacciones fuertes en el núcleo. Sin embargo, cuando los investigadores analizaron los números, encontraron que las predicciones teóricas se desviaron aún más de los fenómenos observados que las aproximaciones más crudas.
Para verificar cuánto de la discrepancia podría atribuirse a la incertidumbre experimental, Kegel y el equipo de Maguncia utilizaron la instalación del acelerador de electrones MAMI en la Universidad para disparar un haz de electrones a un contenedor de átomos de helio con electrones. Los electrones golpean los núcleos de helio en un estado excitado descrito como un monopolo isoescalar. “Imagina el núcleo como una esfera que cambia su radio, se hincha y se encoge, manteniendo la simetría esférica”, dijo Bacca a Live Science por correo electrónico.
Dos parámetros mejoraron la precisión de las mediciones: la densidad de los átomos de helio en el contenedor y la intensidad del haz de electrones de baja energía. Ambos podrían ajustarse a valores muy altos en las instalaciones de la Universidad de Maguncia, dijo Kegel.
Antes de que terminaran de analizar los datos, estaba claro que este nuevo conjunto de datos no iba a resolver el problema. Los científicos aún no conocen la fuente de la discrepancia entre la teoría y el experimento. Pero Bacca sugirió que “piezas faltantes o mal calibradas de las interacciones” puede ser la causa.
Una vez que el nuevo Acelerador Superconductor de Recuperación de Energía (MESA) de Maguncia entre en funcionamiento en 2024, producirá haces de electrones de órdenes de magnitud de mayor intensidad que el acelerador actual, aunque todavía a las bajas energías requeridas para este tipo de experimento. Esto contrasta con los aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones, que compiten por rayos de mayor energía para descubrir nuevas partículas exóticas en el otro extremo del espectro energético. No obstante, las intensidades más altas de MESA permitirán mediciones de mayor precisión y una vista aún más detallada de la frontera de baja energía del modelo estándar.
Fuente: Live Science.
