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Algunos núcleos atómicos tienen forma de pera

Experimentos realizados en el Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) por un equipo internacional han constatado que algunos núcleos atómicos que existen en la naturaleza tienen formas exóticas. Estos resultados, además de ser de gran utilidad para refinar las teorías actuales sobre la estructura nuclear, podrían ayudar a establecer la validez del modelo estándar de la física de partículas.


FUENTE | UAM - mi+d
13/05/2013
 
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Un equipo internacional que lleva a cabo sus investigaciones en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN), en la frontera franco-suiza, ha demostrado que algunos núcleos atómicos pueden adquirir formas exóticas más allá de las tradicionales.

Ya se sabía que la mayoría de los núcleos que existen en la naturaleza tienen forma 'de pelota de rugby' en su estado fundamental. Según el trabajo, publicado esta semana en la revista Nature, algunos otros -con números de protones y neutrones concretos- logran adquirir forma 'de pera'. Aunque esto había sido predicho teóricamente, hasta el momento no se contaba con evidencia experimental suficiente.

De acuerdo con las teorías modernas que describen la dinámica nuclear, la forma del núcleo atómico está determinada por el número de protones y neutrones que lo componen, así como por las interacciones entre estas partículas. En su estado fundamental, los núcleos tienden a ser esféricos cuando el numero de protones y/o neutrones esta cerca de los llamados 'números mágicos'. Para los demás, lo habitual es un estado fundamental con forma elipsoidal mayoritariamente de tipo 'prolado' (con forma de balón de rugby). Cuando el número de protones y neutrones toma ciertos valores, el efecto de cierto tipo de interacciones nucleares se magnifica dando lugar a formas más exóticas.

"La principal característica de estas formas es que no respetan la simetría de reflexión", explica Luis Robledo, profesor del Departamento de Física Teórica de la Universidad Autónoma de Madrid y uno de los firmantes del trabajo.

"La observación experimental de núcleos con forma de pera no solo es importante para la comprensión teórica de la estructura nuclear, donde se conjugan los intrincados efectos de la interacción nuclear y la dinámica de muchos cuerpos. También puede ser de gran ayuda para la búsqueda experimental de momentos dipolares eléctricos en átomos", enfatiza el investigador.

MÁS ALLÁ DEL MODELO ESTÁNDAR DE LA FÍSICA DE PARTÍCULAS ELEMENTALES

Muchas de las teorías propuestas para suceder al modelo estándar de la física de partículas elementales predicen la existencia de un momento dipolar eléctrico (EDM) intrínseco de las partículas elementales, asociado a la violación de la simetría de inversión temporal y paridad de la interacción fuerte.

Según explica Robledo, "este efecto podría ser de vital importancia para explicar la prevalencia de materia sobre antimateria en el Universo. Los valores típicos predichos para dichos EDM están más allá de los límites experimentales para su detección en la mayoría de los experimentos, pero se ha sugerido que la forma de pera de ciertos núcleos podría aumentar la sensibilidad del experimento entre dos y tres órdenes de magnitud". Los recientes resultados presentados en Nature para ciertos isótopos del radio (Ra) y el radón (Rn) juegan a favor de esta posibilidad.

La forma del isótopo de  224Ra
La forma del isótopo de 224Ra que se deduce de los resultados experimentales

TÉCNICAS EXPERIMENTALES

La instalación ISOLDE, o Separador de Isótopos en línea del CERN, es una instalación científica dedicada a la producción que núcleos radiactivos con miras a aplicaciones en campos como la biofísica o la astrofísica nuclear.

Según constata el trabajo, en la instalación ISOLDE se estudió la forma de dos isótopos inestables, 224Ra y 220Rn -los isótopos son los átomos de un mismo elemento cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones-. Los datos arrojados, según los investigadores, muestran que el núcleo del primero tiene forma de pera en su estado fundamental, mientras que el segundo no adquiere esta forma permanentemente sino que vibra con ella.

El estudio de estos isótopos requirió desarrollar una técnica experimental compleja. Se crearon núcleos radiactivos muy pesados en colisiones de alta energía entre protones y blancos de carburo de uranio. Los núcleos así creados se extrajeron usando sus propiedades químicas, para posteriormente ser acelerados hasta un 8% de la velocidad de la luz. Luego fueron implantados en blancos de níquel, cadmio y estaño. En este proceso de implantación se produjo un pulso electromagnético que excitó los núcleos, lo que permitió finalmente el estudio de sus formas.

En su trabajo los autores destacan que los resultados obtenidos no sólo serán de gran utilidad para refinar las teorías actuales sobre la estructura nuclear, sino que además ayudarán a direccionar la búsqueda experimental de momentos dipolares eléctricos intrínsecos en átomos, para dilucidar diversos aspectos de la física de partículas elementales.



Referencia:
L. P. Gaffney, P. A. Butler, M. Scheck, et al. Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams. Nature, vol 497, 9 may 2013. Doi:10.1038/nature12073.




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