En experimentos en el Instituto Paul Scherrer, una colaboración de investigación internacional ha medido el radio del núcleo atómico de helio cinco veces más preciso que nunca.
En experimentos en el Instituto Paul Scherrer (PSI), una colaboración de investigación internacional ha medido el radio del núcleo atómico de helio cinco veces con más precisión que nunca. Con la ayuda del nuevo valor, se pueden probar las teorías físicas fundamentales y se pueden determinar las constantes naturales con mayor precisión. Para sus mediciones, los investigadores necesitaban muones: estas partículas son similares a los electrones pero son unas 200 veces más pesadas. PSI es el único sitio de investigación en el mundo donde se producen suficientes muones llamados de baja energía para tales experimentos. Los investigadores publicaron sus resultados en la revista Nature.
Después del hidrógeno, el helio es el segundo elemento más abundante del universo. Alrededor de una cuarta parte de los núcleos atómicos que se formaron en los primeros minutos después del Big Bang eran núcleos de helio. Estos constan de cuatro bloques de construcción: dos protones y dos neutrones. Para la física fundamental, es fundamental conocer las propiedades del núcleo de helio, entre otras cosas para comprender los procesos en otros núcleos atómicos que son más pesados que el helio. "El núcleo de helio es un núcleo muy fundamental, que podría describirse como mágico", dice Aldo Antognini, físico del PSI y ETH Zurich. Su colega y coautor Randolf Pohl de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz en Alemania agrega: "Nuestro conocimiento previo sobre el núcleo de helio proviene de experimentos con electrones. En PSI, sin embargo, hemos desarrollado por primera vez un nuevo tipo de método de medición que permite una precisión mucho mejor".
Con esto, la colaboración de investigación internacional logró determinar el tamaño del núcleo de helio con una precisión cinco veces mayor de lo que era posible en mediciones anteriores. Según sus hallazgos, el llamado radio de carga medio del núcleo de helio es de 1.67824 femtómetros.
"La idea detrás de nuestros experimentos es simple", explica Antognini. Normalmente, dos electrones cargados negativamente orbitan el núcleo de helio cargado positivamente. “No trabajamos con átomos normales, sino con átomos exóticos en los que ambos electrones han sido reemplazados por un solo muón”, dice el físico. Se considera que el muón es el hermano más pesado del electrón; se parece a él, pero pesa unas 200 veces más. Un muón está mucho más unido al núcleo atómico que un electrón y lo rodea en órbitas mucho más estrechas. En comparación con los electrones, es mucho más probable que un muón permanezca en el núcleo mismo. "Entonces, con el helio muónico, podemos sacar conclusiones sobre la estructura del núcleo atómico y medir sus propiedades", explica Antognini.
Muones lentos, sistema láser complicado
Los muones se producen en PSI usando un acelerador de partículas. La especialidad de la instalación: generar muones con baja energía. Estas partículas son lentas y pueden detenerse en el aparato para experimentos. Esta es la única forma en que los investigadores pueden formar los átomos exóticos en los que un muón arroja un electrón fuera de su órbita y lo reemplaza. Los muones rápidos, por el contrario, volarían directamente a través del aparato. El sistema PSI entrega más muones de baja energía que todos los demás sistemas comparables en todo el mundo. "Es por eso que el experimento con helio muónico sólo puede llevarse a cabo aquí", dice Franz Kottmann, quien desde hace 40 años lleva adelante con los estudios preliminares y desarrollos técnicos necesarios para este experimento.
Los muones chocan contra una pequeña cámara llena de gas helio. Si las condiciones son adecuadas, se crea helio muónico, donde el muón se encuentra en un estado de energía en el que a menudo permanece en el núcleo atómico. "Ahora entra en juego el segundo componente importante del experimento: el sistema láser", explica Pohl. El complicado sistema dispara un pulso láser al gas helio. Si la luz láser tiene la frecuencia correcta, excita al muón y lo hace avanzar a un estado de mayor energía, en el que su camino está prácticamente siempre fuera del núcleo. Cuando cae de este al estado fundamental, emite rayos X. Los detectores registran estas señales de rayos X.
En el experimento, la frecuencia del láser se varía hasta que llega una gran cantidad de señales de rayos X. Los físicos hablan entonces de la llamada frecuencia de resonancia. Con su ayuda, entonces, se puede determinar la diferencia entre los dos estados energéticos del muón en el átomo. Según la teoría, la diferencia de energía medida depende del tamaño del núcleo atómico. Por tanto, utilizando la ecuación teórica, el radio se puede determinar a partir de la resonancia medida. Este análisis de datos se llevó a cabo en el grupo de Randolf Pohl en Mainz.
El misterio del radio de protones se está desvaneciendo
Los investigadores de PSI ya habían medido el radio del protón de la misma manera en 2010. En ese momento, su valor no coincidía con el obtenido por otros métodos de medición. Se habló de un rompecabezas de radio de protones y algunos especularon que detrás de él podría haber una nueva física en forma de una interacción previamente desconocida entre el muón y el protón. Esta vez no hay contradicción entre el nuevo valor más preciso y las mediciones con otros métodos. "Esto hace que la explicación de los resultados con la física más allá del modelo estándar sea más improbable", dice Kottmann. Además, en los últimos años el valor del radio del protón determinado mediante otros métodos se ha acercado al número exacto del PSI. "El rompecabezas del radio del protón todavía existe, pero se está desvaneciendo lentamente", dice Kottmann.
"Nuestra medición se puede utilizar de diferentes formas", dice Julian Krauth, primer autor del estudio: "El radio del núcleo de helio es una piedra de toque importante para la física nuclear". Los núcleos atómicos se mantienen unidos por la llamada interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física. Con la teoría de la interacción fuerte, conocida como cromodinámica cuántica, a los físicos les gustaría poder predecir el radio del núcleo de helio y otros núcleos atómicos ligeros con unos pocos protones y neutrones. El valor extremadamente preciso del radio del núcleo de helio pone a prueba estas predicciones. Esto también permite probar nuevos modelos teóricos de la estructura nuclear y comprender aún mejor los núcleos atómicos.
Las mediciones en helio muónico también se pueden comparar con experimentos que utilizan átomos e iones de helio normales. En experimentos sobre estos, también, las transiciones de energía se pueden activar y medir con sistemas láser, aunque aquí, con electrones en lugar de muones. Las mediciones de helio electrónico se están realizando en este momento. Al comparar los resultados de las dos mediciones, es posible sacar conclusiones sobre constantes naturales fundamentales como la constante de Rydberg, que juega un papel importante en la mecánica cuántica.
Una colaboración de larga tradición
Si bien la medición del radio del protón fue exitosa solo después de experimentos prolongados, el experimento del núcleo de helio funcionó de inmediato. "Tuvimos la suerte de que todo salió bien", dice Antognini, "porque con nuestro sistema láser estamos al límite de la tecnología y algo podría averiarse fácilmente".
"Será aún más difícil con nuestro nuevo proyecto", añade Karsten Schuhmann de ETH Zurich. "Aquí ahora nos estamos ocupando del radio magnético del protón. Y para esto, los pulsos de láser tienen que ser 10 veces más energéticos".
Más información: Measuring the α-particle charge radius with muonic helium-4 ions, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03183-1
Nota original: Paul Scherrer Institute