Una colaboración científica internacional liderada por el Instituto de Física Corpuscular (IFIC), un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat de València (UV), ha realizado un hallazgo sorprendente que cuestiona un principio fundamental de la física nuclear conocido como “simetría de isospín”.
Esta simetría es una idea clave que explica por qué protones y neutrones, las dos partículas que forman el núcleo del átomo, se comportan de manera muy similar a pesar de tener propiedades diferentes, como su carga eléctrica. Gracias a esta simetría, se esperaba que pares de núcleos llamados “núcleos espejo” —que tienen el mismo número total de protones y neutrones, pero intercambiados de forma especular, como ocurre con los dedos de nuestras manos izquierda y derecha— compartieran características cuánticas idénticas, especialmente en su estado fundamental, que es la configuración más estable y natural del núcleo.
Sin embargo, el nuevo estudio ha encontrado por primera vez que esta simetría no se cumple en todos los casos. En concreto, han observado que el núcleo del isótopo Kriptón-71 (71Kr) y su núcleo espejo, el Bromo-71 (71Br), tienen estados fundamentales diferentes, a pesar de que solo difieren en un protón y un neutrón. Este descubrimiento revela una ruptura inesperada en la simetría de isospín en núcleos tan cercanos. Los resultados se publican en la principal revista de la Física, Physical Review Letters.
Principio fundamental
Desde que en el siglo XX se identificaran el protón y el neutrón como los bloques fundamentales del núcleo atómico, la física nuclear ha evolucionado gracias al desarrollo de modelos cada vez más precisos. Una idea introducida por Werner Heisenberg y refinada por Eugene Wigner, muy útil tanto en física nuclear como en física de partículas, es considerar protones y neutrones como dos estados de una misma partícula, el nucleón.
Esta suposición conduce a la simetría de isospín, que predice que los núcleos espejo deberían compartir propiedades cuánticas idénticas, especialmente en sus estados de menor energía o estado fundamental, el modo ‘natural’ de un núcleo si no está excitado o perturbado por una interacción externa.
Sin embargo, el estudio liderado por el IFIC revela que esto no siempre es así. En concreto, ha mostrado que el núcleo del isótopo Kriptón-71 (71Kr) tiene un estado fundamental diferente al de su núcleo espejo, el Bromo-71 (71Br), en contra de lo esperado.
El Kriptón-71 (⁷¹Kr) y el Bromo-71 (⁷¹Br) son un par de núcleos espejo, ya que su número de protones y neutrones están intercambiados: el Kriptón-71 tiene 36 protones y 35 neutrones, mientras que el Bromo-71 tiene 35 protones y 36 neutrones. Lo que se ha observado en este trabajo es que la simetría de isospín se rompe ligeramente: estos núcleos espejo no se comportan exactamente igual, pese a diferenciarse sólo en un nucleón. “Este es el primer caso documentado en el que se rompe la simetría de isospín en núcleos espejo tan próximos, donde sólo se intercambia un nucleón” explica Alejandro Algora, investigador del CSIC en el IFIC y autor principal del estudio.
Otras rupturas en núcleos más exóticos
El hallazgo se basa en una sutil reorganización de los niveles de energía dentro del núcleo atómico, que el equipo de investigación ha podido explicar mediante cálculos teóricos usando el modelo de capas. En física nuclear, el modelo de capas es una forma de entender cómo se organizan y comportan los protones y neutrones dentro del núcleo del átomo. Al igual que los electrones se ordenan en capas alrededor del núcleo, los protones y neutrones también se agrupan en niveles o ‘capas’ dentro del núcleo, como los pisos en un edificio.
El proyecto que ha dado lugar a este sorprendente hallazgo, concebido inicialmente por un grupo de investigación de España e Italia, ha sido desarrollado en el marco de una amplia colaboración internacional en la instalación de haces radiactivos RIBF de RIKEN (Japón), una de las más avanzadas del mundo para el estudio de núcleos exóticos, en este caso, núcleos radioactivos con una vida extremadamente corta.
Este descubrimiento abre nuevas posibilidades de investigación. “Es posible considerar este tipo de rupturas en otros núcleos aún más exóticos”, afirma Algora. De hecho, este tema se ha discutido recientemente en un workshop internacional organizado por el propio IFIC, donde se discutieron posibles futuros experimentos en la instalación de haces radioactivos de RIKEN. Así, “este hallazgo refuerza el papel del IFIC en la vanguardia de la física nuclear internacional”, concluye el investigador del CSIC.
CSIC Valencia / CSIC Comunicación