MATERIA EXÓTICA

 

Científicos sintetizan átomos que no existen en la Tierra 

Alexandra de Castro

Ilustración de Ada Peña.

En un laboratorio de física de partículas, a orillas del río Aar en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, un grupo de científicos logró crear materia que no se encuentra de forma natural en la Tierra.

Los átomos ordinarios tienen un núcleo con protones y neutrones, y dos electrones que le orbitan. Este experimento sin precedentes consistió en tomar átomos ordinarios de helio, arrancar uno de sus dos electrones, y reemplazarlo por una partícula con carga eléctrica negativa llamada «pión-menos».

Los científicos denominaron al nuevo átomo exótico: «helio piónico».

UN POCO DE HISTORIA: EL DESCUBRIMIENTO DEL PIÓN

La existencia del pión fue propuesta primero por el físico japonés Hideki Yukawa, en 1937, para explicar por qué los protones se mantienen unidos en el núcleo, a pesar de tener la misma carga eléctrica. A través de esta predicción, Yukawa sugirió la existencia de una fuerza de la naturaleza que conocemos como «fuerza nuclear fuerte».

Después de la Segunda Guerra Mundial, Cecil Powell, César Lattes y Giuseppe Occhialini de la Universidad de Bristol, Reino Unido, lograron observar por primera vez a los piones instalando detectores de partículas en los Pirineos. Meses más tarde, subieron al monte Chacaltaya en Bolivia, donde ratificaron este extraordinario hallazgo.

El descubrimiento del pión representó un hito en el entendimiento de la estructura de la materia y sus interacciones e impulsó el desarrollo del modelo estándar de partículas subatómicas.

Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1949. Al año siguiente, en 1950, Cecil Powell fue también distinguido con el mismo premio.

LA COMPOSICIÓN DE LOS PIONES Y SU DURACIÓN

Al igual que los protones y los neutrones, los piones están compuestos por quarks, pero en vez de tres, tienen dos: un quark y la antiquark. Naturalmente se pueden observar en reacciones entre partículas subatómicas que viajan a velocidades cercanas a la luz. Pueden tener carga positiva (pión-más), negativa (pión-menos) o ser neutros.

La vida de un pión es extremadamente corta. En menos de una millonésima de segundo, se desintegra en otras partículas. Sin embargo, no son raros en nuestro planeta. Ellos están constantemente generándose cuando protones o núcleos atómicos, que vienen del espacio exterior, chocan contra las moléculas de los gases en la atmósfera. Una sola colisión crea miles de millones de partículas subatómicas que caen como una cascada.

La corta vida de los piones no les permite llegar hasta la superficie de la Tierra; de modo que, para poder ser observados, es necesario instalar experimentos a grandes alturas o producirlos en aceleradores de partículas.

EL INTRINCADO PROCESO DE SINTETIZAR HELIO EXÓTICO

Fueron necesarios ocho años de trabajo arduo para que el Dr. Masaki Hori y sus colaboradores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y del Centro Europeo para Investigación Nuclear (CERN), lograran comprobar que es posible sintetizar helio piónico.

Anna Soter
Anna Sótér. Miembro del equipo de colaboración científica que sintetizó helio piónico. Crédito de la imagen: Instituto Paul Scherrer/Stefan Ritt.

El objetivo solo pudo alcanzarse usando el ciclotrón productor de piones más potente del mundo que está en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. Durante el delicado experimento, un cañón dispara protones que impactan a una lámina de grafito. La colisión produce un chorro de piones dirigidos a un contenedor de helio enfriado hasta unos pocos grados sobre el cero absoluto de temperatura.

Después de un gran maratón de experimentos, Hori y sus colaboradores consiguieron observar menos de una decena de átomos de helio piónico en un océano con miles de millones de átomos de helio regulares.

Helio pionico
Representación artística del helio piónico. Crédito: Instituto Max Planck de Óptica Cuántica/Thorsten Naeser.

¿Cómo identifican los científicos a un elemento exótico? La manera de distinguir un átomo de otro es a través de su espectro de luz. Esto es, cuando la luz impacta un átomo, se forma un patrón con líneas de colores que es único para cada elemento.

En el caso del helio piónico, el pión-menos se comporta como un electrón muy pesado. Hori y sus colaboradores utilizaron una técnica con luz láser para poder excitar al pión y hacerle cambiar su estado de energía. En este proceso, el pión-menos finalmente cae hacia el núcleo y el átomo se destruye. Los residuos del helio piónico son detectados como prueba del triunfo del experimento.

¿QUÉ VIENE DESPUÉS?

Sintetizar átomos exóticos nos permite mirar a fondo el mundo a escala dominada por la mecánica cuántica. Atrapar un pión en un átomo metaestable facilita el estudio de sus propiedades, como su masa, con alta precisión.

Este nuevo conocimiento permite a los científicos progresar en el entendimiento de las fuerzas nucleares y en general nos acerca a responder la gran pregunta: ¿de qué está hecho el universo?

REFERENCIA

Hori, M., Aghai-Khozani, H., Sótér, A. et al. (2020). Laser spectroscopy of pionic helium atoms. Nature 581, 37–41. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2240-x

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