Científicos del MIT logran ver el interior de los átomos de forma innovadora

Un equipo de investigadores del MIT presentó una innovadora técnica que permitió observar el interior de los núcleos atómicos utilizando los electrones del propio átomo como "mensajeros" en una molécula. Esta metodología, publicada el 23 de octubre en la revista Science, consiste en medir con precisión la energía de los electrones que orbitaban un átomo de radón, vinculado químicamente a un átomo de flúor para formar monofluoruro de radón.

Mediante esta técnica, el equipo logró transformar el entorno molecular en una especie de microcolisionador de partículas, aumentando las probabilidades de que algunos electrones atravesaran temporalmente el núcleo. Esto representa un cambio significativo respecto a los experimentos tradicionales que requerían aceleradores de partículas de kilómetro de extensión para estudiar los núcleos atómicos.

Método de mesa que detecta "mensajes" nucleares

Los investigadores observaron un ligero desplazamiento en la energía de los electrones del átomo de radón mientras se movían dentro de la molécula. Esta variación energética es indicativa de que algunos electrones habían ingresado al núcleo y habían interactuado con su contenido. A su salida, conservaron esa variación energética, llevando consigo un "mensaje" nuclear que revela características del interior del núcleo.

Este método abre la posibilidad de medir la "distribución magnética" dentro de un núcleo. Los protones y neutrones dentro de él actúan como pequeños imanes, y su orientación depende de cómo estén organizadas estas partículas. El equipo tiene previsto utilizar esta técnica para mapear esta propiedad en el radón por primera vez, un avance que podría ayudar a resolver una de las preguntas fundamentales de la cosmología: por qué el universo contiene mucho más materia que antimateria.

Según el coautor del estudio, Ronald Fernando García Ruiz, profesor asociado de física en el MIT, "nuestros resultados sientan las bases para estudios posteriores que buscan medir las violaciones de simetrías fundamentales a nivel nuclear". Este descubrimiento podría ofrecer respuestas a algunas de las cuestiones más apremiantes en la física moderna.

Junto a Garcia Ruiz, también participaron los coautores Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu y Alex Brinson, además de colaboradores de varias instituciones, incluido el Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment (CRIS) del CERN en Suiza, donde se realizaron los experimentos.

Desequilibrio entre materia y antimateria y el papel del radón

La comprensión actual sugiere que el universo primitivo debía contener cantidades casi iguales de materia y antimateria. Sin embargo, la realidad es que la mayor parte de lo que se puede detectar hoy en día es materia compuesta de protones y neutrones dentro de los núcleos atómicos.

Esto plantea un conflicto con las expectativas del Modelo Estándar, indicando que se necesitan fuentes adicionales de violación de simetrías fundamentales para explicar la escasez de antimateria. Estos efectos podrían manifestarse dentro de los núcleos de ciertos átomos, incluido el radón.

A diferencia de la mayoría de los núcleos, que son casi esféricos, el núcleo del radón tiene una forma asimétrica, parecida a una pera. Los teóricos predicen que esta geometría puede amplificar las señales de violación de simetrías lo suficiente como para que sean potencialmente observables. García Ruiz destacó que "el núcleo de radón se predice como un amplificador de esta ruptura de simetría, debido a su asimetría en carga y masa, lo cual es bastante inusual".

Construcción de experimentos moleculares ultra sensibles Examinar el interior de un núcleo de radón para probar simetrías fundamentales presenta grandes desafíos.

El radón es radiactivo de forma natural, con una vida media corta y actualmente solo se pueden producir cantidades diminutas de moléculas de monofluoruro de radón. Shane Wilkins, autor principal del estudio y ex investigador postdoctoral en el MIT, explicó que "por lo tanto, necesitamos técnicas increíblemente sensibles para poder medirlas".

El equipo identificó que incrustar un átomo de radón dentro de una molécula podría confinar y magnificar el comportamiento de sus electrones. Silviu-Marian Udrescu explicó: "Cuando colocas este átomo radiactivo dentro de una molécula, el campo eléctrico interno al que experimentan sus electrones es órdenes de magnitud más grande en comparación con los campos que podemos producir y aplicar en un laboratorio". En cierto sentido, la molécula actúa como un colisionador de partículas gigantesco, aumentando las probabilidades de investigar el núcleo del radón.

Desplazamiento energético revela encuentros entre electrones y núcleos

Los investigadores crearon el monofluoruro de radón emparejando átomos de radón con átomos de flúor. En esta molécula, los electrones del radón están efectivamente comprimidos, lo que aumenta la probabilidad de que interactúen con y entren momentáneamente al núcleo de radón.

Después, capturaron y enfriaron las moléculas, guiándolas a través de cámaras de vacío y iluminándolas con láseres diseñados específicamente para interactuar con las moléculas. Esta configuración permitió realizar mediciones precisas de las energías de los electrones dentro de cada molécula.

Las energías medidas mostraron una sutil diferencia con respecto a las expectativas basadas en electrones que no ingresan al núcleo. Aunque el cambio energético solo fue aproximadamente una millonésima de la energía del fotón láser utilizado para excitar las moléculas, fue suficiente para evidenciar que los electrones interactuaron con protones y neutrones dentro del núcleo del radón.

Próximos pasos: Mapeo de fuerzas y pruebas de simetrías

El equipo tiene proyectado utilizar la nueva técnica para mapear la distribución de fuerzas dentro del núcleo. Hasta ahora, sus experimentos involucraron núcleos de radón que se encontraron en orientaciones aleatorias dentro de cada molécula a altas temperaturas. García Ruiz y sus colaboradores desean enfriar estas moléculas y controlar las orientaciones de sus núcleos en forma de pera, permitiendo así un mapeo preciso de su contenido y la búsqueda de violaciones de simetrías fundamentales. "Las moléculas que contienen radón se predicen como sistemas excepcionalmente sensibles para buscar violaciones de las simetrías fundamentales de la naturaleza. Ahora tenemos una forma de llevar a cabo esa búsqueda." Esta investigación recibió apoyo, en parte, del Departamento de Energía de los EE. UU.