Esta alternativa a los colisionadores de partículas masivas podría revelar información sobre los ingredientes iniciales del universo

Jennifer Chu | Noticias del MIT

Físicos del MIT han desarrollado una nueva forma de sondear el interior del núcleo de un átomo, utilizando los propios electrones del átomo como «mensajeros» dentro de una molécula.

En un estudio publicado en la revista Science , los físicos midieron con precisión la energía de los electrones que orbitaban alrededor de un átomo de radio que se había combinado con un átomo de fluoruro para formar una molécula de monofluoruro de radio. Utilizaron el entorno molecular como una especie de colisionador de partículas microscópico, que contenía los electrones del átomo de radio y los inducía a penetrar brevemente en el núcleo atómico.

Por lo general, los experimentos para estudiar el interior de los núcleos atómicos requieren instalaciones enormes, de kilómetros de longitud, que aceleran haces de electrones a velocidades suficientes para colisionar con los núcleos y desintegrarlos. El nuevo método molecular del equipo ofrece una alternativa de laboratorio para estudiar directamente el interior del núcleo atómico.

Dentro de moléculas de monofluoruro de radio, el equipo midió la energía de los electrones de un átomo de radio mientras se movían dentro de la molécula. Detectaron un ligero cambio de energía y determinaron que los electrones debieron penetrar brevemente el núcleo del átomo de radio e interactuar con su contenido. Al regresar, los electrones conservaron este cambio de energía, proporcionando un «mensaje» nuclear que pudo analizarse para determinar la estructura interna del núcleo del átomo.

El método del equipo ofrece una nueva forma de medir la «distribución magnética» nuclear. En un núcleo, cada protón y neutrón actúa como un pequeño imán, y su alineación varía según cómo se distribuyan los protones y neutrones en el núcleo. El equipo planea aplicar su método para mapear con precisión esta propiedad del núcleo de radio por primera vez. Sus hallazgos podrían ayudar a resolver uno de los mayores misterios de la cosmología: ¿Por qué observamos mucha más materia que antimateria en el universo?

“Nuestros resultados sientan las bases para estudios posteriores que buscan medir violaciones de simetrías fundamentales a nivel nuclear”, afirma Ronald Fernando García Ruiz, coautor del estudio y profesor asociado de física Thomas A. Franck en el MIT. “Esto podría dar respuesta a algunas de las preguntas más apremiantes de la física moderna”.

Entre los coautores del estudio del MIT se encuentran Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu y Alex Brinson, junto con colaboradores de múltiples instituciones, incluido el Experimento de Espectroscopia de Ionización por Resonancia Colineal (CRIS) en el CERN en Suiza, donde se realizaron los experimentos.

Trampa molecular

Según el mejor entendimiento de los científicos, debió haber cantidades casi iguales de materia y antimateria cuando el universo se originó. Sin embargo, la inmensa mayoría de lo que los científicos pueden medir y observar en el universo está compuesto de materia, cuyos componentes básicos son los protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos.

Esta observación contrasta marcadamente con lo que predice nuestra mejor teoría de la naturaleza, el Modelo Estándar, y se cree que se requieren fuentes adicionales de violación de la simetría fundamental para explicar la casi total ausencia de antimateria en nuestro universo. Dichas violaciones podrían observarse en los núcleos de ciertos átomos, como el radio.

A diferencia de la mayoría de los núcleos atómicos, que son esféricos, el núcleo del átomo de radio tiene una configuración más asimétrica, similar a una pera. Los científicos predicen que esta forma de pera podría mejorar significativamente su capacidad para detectar la violación de las simetrías fundamentales, hasta el punto de que estas podrían ser potencialmente observables.

“Se predice que el núcleo de radio será un amplificador de esta ruptura de simetría, porque su núcleo es asimétrico en carga y masa, lo cual es bastante inusual”, dice García Ruiz, cuyo grupo se ha centrado en desarrollar métodos para sondear los núcleos de radio en busca de signos de violación de la simetría fundamental.

Observar el interior del núcleo de un átomo de radio para investigar las simetrías fundamentales es una tarea increíblemente compleja.

«El radio es radiactivo por naturaleza, tiene una vida útil corta y actualmente solo podemos producir moléculas de monofluoruro de radio en cantidades ínfimas», afirma Shane Wilkins, autor principal del estudio y antiguo investigador postdoctoral del MIT. «Por lo tanto, necesitamos técnicas increíblemente sensibles para poder medirlas».

El equipo se dio cuenta de que, al colocar un átomo de radio en una molécula, podían contener y amplificar el comportamiento de sus electrones.

«Cuando se introduce este átomo radiactivo dentro de una molécula, el campo eléctrico interno que experimentan sus electrones es mucho mayor que los campos que podemos producir y aplicar en un laboratorio», explica Silviu-Marian Udrescu, doctorado en 2024 y coautor del estudio. «En cierto modo, la molécula actúa como un colisionador de partículas gigante y nos ofrece una mejor oportunidad para estudiar el núcleo del radio».

Cambio de energía

En su nuevo estudio, el equipo primero combinó átomos de radio con átomos de fluoruro para crear moléculas de monofluoruro de radio. Descubrieron que, en esta molécula, los electrones del átomo de radio se comprimían de forma efectiva, lo que aumentaba la probabilidad de que los electrones interactuaran con el núcleo de radio y lo penetraran brevemente.

Posteriormente, el equipo atrapó y enfrió las moléculas y las hizo pasar a través de un sistema de cámaras de vacío, en las que también introdujeron láseres que interactuaron con ellas. De esta manera, los investigadores pudieron medir con precisión la energía de los electrones dentro de cada molécula.

Al sumar las energías, descubrieron que los electrones parecían tener una energía ligeramente diferente a la que los físicos esperarían si no penetraran el núcleo. Aunque esta variación energética era pequeña —apenas una millonésima parte de la energía del fotón láser utilizado para excitar las moléculas—, proporcionó evidencia inequívoca de la interacción de los electrones de las moléculas con los protones y neutrones dentro del núcleo de radio.

«Existen numerosos experimentos que miden las interacciones entre núcleos y electrones fuera del núcleo, y conocemos la naturaleza de dichas interacciones», explica Wilkins. «Cuando medimos con precisión las energías de estos electrones, los resultados no coincidían exactamente con lo esperado, suponiendo que interactuaban únicamente fuera del núcleo. Esto nos indicó que la diferencia debía deberse a las interacciones electrónicas dentro del núcleo».

“Ahora tenemos pruebas de que podemos tomar muestras del interior del núcleo”, afirma García Ruiz. “Es como poder medir el campo eléctrico de una batería. Se puede medir su campo en el exterior, pero medirlo en el interior es mucho más difícil. Y eso es lo que podemos hacer ahora”.

En adelante, el equipo planea aplicar la nueva técnica para mapear la distribución de fuerzas dentro del núcleo. Hasta ahora, sus experimentos han involucrado núcleos de radio con orientaciones aleatorias dentro de cada molécula a alta temperatura. García Ruiz y sus colaboradores buscan enfriar estas moléculas y controlar la orientación de sus núcleos piriformes para mapear con precisión su contenido y detectar violaciones de simetrías fundamentales.

“Se prevé que las moléculas que contienen radio sean sistemas excepcionalmente sensibles para buscar violaciones de las simetrías fundamentales de la naturaleza”, afirma García Ruiz. “Ahora tenemos una forma de llevar a cabo esa búsqueda”.