Un experiment liderat per l'IFIC desafia un dels principis de la física nuclear

Una col·laboració científica internacional liderada per l'Institut de Física Corpuscular (IFIC), situat en l'àrea científic-acadèmica del Parc Científic de la Universitat de València (PCUV), a més de centre mixt del Consell Superior d'Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), ha realitzat una troballa sorprenent que qüestiona un principi fonamental de la física nuclear conegut com a “simetria d'isospín”.

Esta simetria és una idea clau que explica per quins protons i neutrons, les dos partícules que formen el nucli de l'àtom, es comporten de manera molt similar malgrat tindre propietats diferents, com la seua càrrega elèctrica. Gràcies a esta simetria, s'esperava que pares de nuclis anomenats “nuclis espill” —que tenen el mateix nombre total de protons i neutrons, però intercanviats de manera especular, com ocorre amb els dits de les nostres mans esquerra i dreta— compartiren característiques quàntiques idèntiques, especialment en el seu estat fonamental, que és la configuració més estable i natural del nucli.

No obstant això, el nou estudi ha trobat per primera vegada que esta simetria no es complix en tots els casos. En concret, han observat que el nucli de l'isòtop Criptó-71 (71Kr) i el seu nucli espill, el Brom-71 (71Br), tenen estats fonamentals diferents, a pesar que només diferixen en un protó i un neutró. Este descobriment revela una ruptura inesperada en la simetria d'isospín en nuclis tan pròxims. Els resultats es publiquen en la principal revista de la Física, Physical Review Letters.

Principi fonamental

Des que en el segle XX s'identificaren el protó i el neutró com els blocs fonamentals del nucli atòmic, la física nuclear ha evolucionat gràcies al desenrotllament de models cada vegada més precisos. Una idea introduïda per Werner Heisenberg i refinada per Eugene Wigner, molt útil tant en física nuclear com en física de partícules, és considerar protons i neutrons com dos estats d'una mateixa partícula, el nucleó.

Esta suposició conduïx a la simetria d'isospín, que prediu que els nuclis espill haurien de compartir propietats quàntiques idèntiques, especialment en els seus estats de menor energia o estat fonamental, el mode ‘natural’ d'un nucli si no està excitat o pertorbat per una interacció externa.

"Este és el primer cas documentat en el qual es trenca la simetria d'isospín en nuclis espill tan pròxims, on només s'intercanvia un nucleó” Alejandro Algora, investigador de l'IFIC i autor principal de l'estudi

No obstant això, l'estudi liderat per l'IFIC revela que això no sempre és així. En concret, ha mostrat que el nucli de l'isòtop Criptó-71 (71Kr) té un estat fonamental diferent del del seu nucli espill, el Brom-71 (71Br), en contra de l'esperat.

El Criptó-71 (⁷¹Kr) i el Brom-71 (⁷¹Br) són un parell de nuclis espill, ja que el seu nombre de protons i neutrons estan intercanviats: el Criptó-71 té 36 protons i 35 neutrons, mentres que el Brom-71 té 35 protons i 36 neutrons. El que s'ha observat en este treball és que la simetria d'isospín es trenca lleugerament: estos nuclis espill no es comporten exactament igual, malgrat diferenciar-se només en un nucleó. “Este és el primer cas documentat en el qual es trenca la simetria d'isospín en nuclis espill tan pròxims, on només s'intercanvia un nucleó” explica Alejandro Algora, investigador de l'IFIC i autor principal de l'estudi.

Altres ruptures en nuclis més exòtics

La troballa es basa en una subtil reorganització dels nivells d'energia dins del nucli atòmic, que l'equip d'investigació ha pogut explicar mitjançant càlculs teòrics usant el model de capes. En física nuclear, el model de capes és una manera d'entendre com s'organitzen i comporten els protons i neutrons dins del nucli de l'àtom. Igual que els electrons s'ordenen en capes al voltant del nucli, els protons i neutrons també s'agrupen en nivells o ‘capes’ dins del nucli, com els pisos en un edifici.

El projecte que ha donat lloc a esta sorprenent troballa, concebut inicialment per un grup d'investigació d'Espanya i Itàlia, ha sigut desenrotllat en el marc d'una àmplia col·laboració internacional en la instal·lació de feixos radioactius RIBF de RIKEN (el Japó), una de les més avançades del món per a l'estudi de nuclis exòtics, en este cas, nuclis radioactius amb una vida extremadament curta.

"Este descobriment obri noves possibilitats d'investigació. És possible considerar este tipus de ruptures en altres nuclis encara més exòtics. Esta troballa reforça el paper de l'IFIC en l'avantguarda de la física nuclear internacional", Alejandro Algora, investigador de l'IFIC i autor principal de l'estudi

Este descobriment obri noves possibilitats d'investigació. “És possible considerar este tipus de ruptures en altres nuclis encara més exòtics”, afirma Algora. De fet, este tema s'ha discutit recentment en un workshop internacional organitzat pel propi IFIC, on es van discutir possibles futurs experiments en la instal·lació de feixos radioactius de RIKEN. Així, “esta troballa reforça el paper de l'IFIC en l'avantguarda de la física nuclear internacional”, conclou l'investigador del CSIC.

Font: IFIC

No et perdes el capítol 6 del nostre pòdcast "La Bombeta de Livermore, en el qual participa la investigadora de l'IFIC Carmen García