Al medir el núcleo de helio hinchado, los físicos han desafiado nuestra mejor comprensión de la fuerza que une los protones y los neutrones.
Un artículo de Katie McCormick. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Una nueva medición de la fuerza nuclear fuerte, que une protones y neutrones, confirma indicios previos de una verdad incómoda: todavía no tenemos una comprensión teórica sólida ni siquiera de los sistemas nucleares más simples.
Para probar la fuerza nuclear fuerte, los físicos recurrieron al núcleo de helio-4, que tiene dos protones y dos neutrones. Cuando los núcleos de helio se excitan, crecen como un globo que se infla hasta que uno de los protones salta. Sorprendentemente, en un experimento reciente, los núcleos de helio no se hincharon según lo planeado: se hincharon más de lo esperado antes de estallar. Una medida que describe esa expansión, llamada factor de forma, es el doble de las predicciones teóricas.
“La teoría debería funcionar”, afirma Sonia Bacca, física teórica de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y autora del artículo que describe la discrepancia, que se ha publicado en Physical Review Letters. “Estamos desconcertados”.
El núcleo de helio que se hincha, dicen los investigadores, es una especie de minilaboratorio para probar la teoría nuclear porque es como un microscopio: puede magnificar las deficiencias en los cálculos teóricos. Los físicos creen que ciertas peculiaridades en ese hinchamiento la hacen extremadamente sensible incluso a los componentes más débiles de la fuerza nuclear, factores tan pequeños que generalmente se ignoran. Cuánto se hincha el núcleo también corresponde a la blandura de la materia nuclear, una propiedad que ofrece información sobre los misteriosos corazones de las estrellas de neutrones. Pero antes de explicar el aplastamiento de la materia en las estrellas de neutrones, los físicos primero deben averiguar por qué sus predicciones están tan alejadas.
Bira van Kolck, teórica nuclear del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia, afirma que Bacca y sus colegas han expuesto un problema importante en la física nuclear. Han encontrado, continúa, un caso en el que nuestra mejor comprensión de las interacciones nucleares, un marco conocido como teoría del campo efectivo quiral, se queda corta.
“Esta transición amplifica los problemas [con la teoría] que en otras situaciones no son tan relevantes”, concluye van Kolck.
La fuerza nuclear fuerte
Los nucleones atómicos (protones y neutrones) se mantienen unidos por la fuerza fuerte. Pero la teoría de la fuerza fuerte no se desarrolló para explicar cómo se mantienen unidos los nucleones. Sino que se usó por primera vez para explicar cómo los protones y los neutrones están hechos de partículas elementales llamadas quarks y gluones.
Durante muchos años los físicos no comprendieron cómo usar la fuerza fuerte para comprender la adherencia de los protones y los neutrones. Un problema era la extraña naturaleza de la fuerza fuerte: se vuelve más fuerte a medida que aumenta la distancia, en lugar de disminuir lentamente. Esta característica les impidió usar sus trucos de cálculo habituales. Cuando los físicos de partículas quieren comprender un sistema en particular, generalmente dividen una fuerza en contribuciones aproximadas más manejables, ordenan esas contribuciones de la más importante a la menos importante y luego simplemente ignoran las contribuciones menos importantes. Con la fuerza fuerte no podían hacer eso.
Luego, en 1990, Steven Weinberg encontró una forma de conectar el mundo de los quarks y los gluones con los núcleos pegajosos. El truco consistía en utilizar una teoría de campo efectiva, una teoría que es tan detallada como necesita ser para describir la naturaleza en una escala de tamaño (o energía) particular. Para describir el comportamiento de un núcleo no necesitas saber de quarks y gluones. En cambio, a estas escalas, emerge una nueva fuerza efectiva: la fuerza nuclear fuerte, transmitida entre nucleones por el intercambio de piones.
El trabajo de Weinberg ayudó a los físicos a entender cómo la fuerza nuclear fuerte emerge de la fuerza fuerte. También les permitió realizar cálculos teóricos basados en el método habitual de aportes aproximados. La teoría, la teoría efectiva quiral, ahora se considera ampliamente como la «mejor teoría que tenemos», explica Bacca, para calcular las fuerzas que gobiernan el comportamiento de los núcleos.
En 2013, Bacca utilizó esta teoría de campo eficaz para predecir cuánto se hincharía un núcleo de helio excitado. Pero cuando comparó su cálculo con los experimentos realizados en las décadas de 1970 y 1980 encontró una discrepancia sustancial. Ella había predicho menos hinchamiento que las cantidades medidas, pero las barras de error experimentales eran demasiado grandes para que ella estuviera segura.
Núcleos hinchables
Después de ese primer indicio de un problema, Bacca alentó a sus colegas en Mainz a repetir los experimentos de hace décadas: tenían herramientas más sofisticadas a su disposición y podían realizar mediciones más precisas. Esas discusiones dieron lugar a una nueva colaboración: Simon Kegel y sus colegas actualizarían el trabajo experimental, y Bacca y sus colegas intentarían comprender el mismo intrigante desajuste, si apareciese.
En su experimento, Kegel y sus colegas excitaron los núcleos disparando un haz de electrones a un tanque de gas helio frío. Si un electrón se colaba dentro del alcance de uno de los núcleos de helio, donaba parte de su exceso de energía a los protones y neutrones, lo que provocaba que el núcleo se inflara. Este estado inflado era fugaz: el núcleo perdía rápidamente el control de uno de sus protones, desintegrándose en un núcleo de hidrógeno con dos neutrones más un protón libre.
Al igual que con otras transiciones nucleares, solo una cantidad específica de energía donada permitirá que el núcleo se hinche. Al variar el momento de los electrones y observar cómo respondía el helio, los científicos pudieron medir la expansión. Luego, el equipo comparó este cambio en el hinchamiento del núcleo, el factor de forma, con una variedad de cálculos teóricos. Ninguna de las teorías coincidía con los datos. Pero, extrañamente, el cálculo que más se acercó utilizaba un modelo simplificado de la fuerza nuclear, no la teoría del campo efectivo quiral.
“Esto fue totalmente inesperado”, afirma Bacca.
Otros investigadores están igualmente desconcertados. “Es un experimento limpio y bien hecho. Así que confío en los datos”, afirma Laura Elisa Marcucci, física de la Universidad de Pisa en Italia. Pero, dice, el experimento y la teoría se contradicen entre sí, por lo que uno de ellos debe estar equivocado.
Trayendo el equilibrio a la fuerza
En retrospectiva, los físicos tenían varias razones para sospechar que esta simple medida probaría los límites de nuestra comprensión de las fuerzas nucleares.
Primero, este sistema es particularmente quisquilloso. La energía necesaria para producir el núcleo de helio inflado transitoriamente, el estado que los investigadores quieren estudiar, se encuentra justo por encima de la energía necesaria para expulsar un protón y justo por debajo del mismo umbral para un neutrón. Eso hace que todo sea difícil de calcular.
La segunda razón tiene que ver con la teoría del campo efectivo de Weinberg. Funcionó porque permitió a los físicos ignorar las partes menos importantes de las ecuaciones. Van Kolck sostiene que algunas de las partes consideradas menos importantes y habitualmente ignoradas son, de hecho, muy importantes. El microscopio proporcionado por esta medición de helio en concreto, afirma, está esclareciendo ese error básico.
“No puedo ser demasiado crítico porque estos cálculos son muy difíciles”, agrega. “Están haciendo lo mejor que pueden”.
Varios grupos, incluido el de van Kolck, planean repetir los cálculos de Bacca y descubrir qué salió mal. Es posible que simplemente incluir más términos en la aproximación de la fuerza nuclear sea la respuesta. Por otro lado, también es posible que estos núcleos hinchables de helio hayan expuesto un fallo fatal en nuestra comprensión de la fuerza nuclear.
“Expusimos el rompecabezas, pero desafortunadamente no lo hemos resuelto”, concluye Bacca. «Aún no.»
El artículo original, A New Experiment Casts Doubt on the Leading Theory of the Nucleus, se publicó el 12 de junio de 2023 en Quanta Magazine.
Traducido por César Tomé López
