Átomo de helio 4: una anomalía explicada por... un famoso problema de astronomía

Publicado por Adrien,
Fuente: CNRS IN2P3
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Recientemente, una medición experimental ha identificado una discrepancia significativa entre las predicciones teóricas y la observación del comportamiento del núcleo del helio 4.

El trabajo de una colaboración internacional de teóricos ha permitido desarrollar una nueva visión sobre las configuraciones de los nucleones y su acoplamiento en este núcleo. En particular, un avance en la concepción del estado resonante de este núcleo ligero, que podría iluminar a los científicos sobre fenómenos astrofísicos importantes, ha reconciliado la teoría con la experimentación.


Imagen Wikimedia

Mainz, 2021: un equipo de investigadores bombardea con electrones núcleos de helio 4, con el objetivo de observar la transición de este núcleo, también conocido como partícula alfa, de su estado fundamental a su primer estado excitado (resonante). Este experimento también tiene como objetivo comparar un valor medido relacionado con esta transición con el pronosticado por un modelo líder del núcleo atómico, basado en teorías efectivas, las "Teorías de Campo Efectivas Quirales" (ChEFTs).

Una sorpresa: el valor medido en el Microtrón de la Universidad de Mainz (MaMi) es dos veces menor que las predicciones teóricas, lo que resultó ser un revés doloroso para algunos modelos del núcleo. Entonces, la búsqueda para conciliar esta observación experimental con los modelos basados en la teoría ChEFT comenzó.

Este rompecabezas fue recientemente solucionado por una colaboración internacional de teóricos, compuesta por Nicolas Michel (Academia de Ciencias China), Witek Nazarewicz (Universidad del Estado de Michigan) y Marek Płoszajczak, investigador en GANIL. Marek nos explica: "Usar una ChEFT para calcular ciertas propiedades del núcleo atómico requiere inicialmente modelar el comportamiento de los nucleones dentro del núcleo. Esto implica resolver el 'problema de N cuerpos'.

Para resolver este problema en el helio 4, los teóricos concebían hasta hace poco la partícula alfa como un sistema autónomo e independiente dentro del cual los nucleones simplemente se alejan unos de otros cuando el núcleo absorbe energía. En esta configuración, que consideramos como un sistema cuántico cerrado, podemos imaginar al núcleo hinchándose como un globo cuando recibe energía
".


La partícula alfa no es un sistema cuántico cerrado, sino un sistema abierto en el que se intercalan varios sistemas de canales de reacciones.
Imagen: Witek Nazarewicz

La idea original de los tres investigadores consistió en proponer una visión diferente del núcleo excitado: en lugar de considerarlo como un sistema cuántico cerrado, el trío de investigadores prefirió abordar el núcleo de helio 4 como un sistema abierto en el que se intercalan varios sistemas de canales de reacciones (un núcleo de hidrógeno 3 acompañado de un protón, un núcleo de helio 3 acompañado de un neutrón, o bien dos núcleos de helio 2). "De hecho, la resolución del problema de N cuerpos bajo este nuevo paradigma es lo que nos ha permitido replicar los resultados experimentales obtenidos en MaMi", confirma Marek.

¿Todo está bien cuando termina bien? Esta gimnasia teórica sin duda da crédito a los modelos existentes y también podrá aplicarse a otros núcleos ligeros para comprender mejor el proceso de su excitación. Pero el episodio también destaca la dificultad de tener en cuenta los detalles más sutiles en el estudio de los núcleos atómicos y la necesidad de tal profundidad de análisis para abordar fenómenos nucleares simples.

Sin embargo, vale la pena el esfuerzo: las transiciones entre estados fundamentales y resonantes de los núcleos ligeros, así como la estructura microscópica de estos estados resonantes, intervienen en fenómenos astrofísicos como la formación de estrellas de neutrones o la nucleosíntesis estelar, y su elucidación nos acerca así a una comprensión global de la química del Universo.
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