Cómo una molécula se convirtió en una ventana al núcleo atómico

Los físicos han convertido una molécula radiactiva en un colisionador de partículas en miniatura, no más grande que una mesa. El truco les permite echar un vistazo al interior del núcleo de un átomo sin construir un acelerador de kilómetros de largo, abriendo la puerta a uno de los enigmas más difíciles de la cosmología: por qué el universo contiene tanta más materia que antimateria.

El equipo de investigación del MIT emparejó átomos de radio con fluoruro para crear moléculas de monofluoruro de radio y luego utilizó láseres para rastrear las energías de los electrones que se mueven en el interior. Lo que encontraron fue inesperado. Los electrones llevaban una firma de energía sutil, un cambio de sólo una millonésima parte de la energía del fotón láser utilizado para medirlos. Esa pequeña diferencia contó una historia reveladora: los electrones se habían deslizado brevemente dentro del núcleo de radio, interactuaron con los protones y neutrones allí empaquetados y luego emergieron con evidencia de lo que habían encontrado.

“Cuando se coloca este átomo radiactivo dentro de una molécula, el campo eléctrico interno que experimentan sus electrones es órdenes de magnitud mayor en comparación con los campos que podemos producir y aplicar en un laboratorio”, explica Silviu-Marian Udrescu, coautor del estudio. “En cierto modo, la molécula actúa como un colisionador de partículas gigante y nos brinda una mejor oportunidad de sondear el núcleo del radio”.

Una pista en forma de pera sobre el desequilibrio cósmico

Los núcleos de radio son inusuales. A diferencia de la mayoría de los núcleos atómicos, que forman esferas ordenadas, el núcleo del radio sobresale asimétricamente, como una pera. Esta forma desequilibrada puede amplificar sutiles violaciones de simetrías fundamentales, del tipo que podría explicar por qué la antimateria prácticamente ha desaparecido del universo observable. Según el Modelo Estándar, la materia y la antimateria deberían haber aparecido en cantidades casi iguales después del Big Bang. Sin embargo, aquí estamos, en un universo compuesto casi enteramente de materia, en el que la antimateria aparece sólo en rastros fugaces.

El equipo de investigación utilizó moléculas como amplificadores naturales. Al atrapar átomos de radio dentro de monofluoruro de radio, comprimieron los electrones del átomo en órbitas más estrechas, aumentando las probabilidades de que los electrones penetraran el núcleo durante sus viajes a alta velocidad. Las moléculas se enfriaron y se enviaron a través de cámaras de vacío, donde los láseres midieron las energías de los electrones con extrema precisión.

Los resultados, publicados hoy en Science, muestran que las energías de los electrones no coincidían del todo con las predicciones basadas únicamente en interacciones fuera del núcleo. La discrepancia señaló que algo estaba sucediendo en el interior, un breve momento en el que los electrones tomaron muestras del interior nuclear y transportaron información al exterior.

“Hay muchos experimentos que miden las interacciones entre núcleos y electrones fuera del núcleo, y sabemos cómo son esas interacciones. Cuando medimos estas energías de los electrones con mucha precisión, no resultó en lo que esperábamos suponiendo que interactuaran sólo fuera del núcleo. Eso nos dijo que la diferencia debe deberse a las interacciones de los electrones dentro del núcleo”.

Muestreo de una batería desde el interior

Ronald Fernando García Ruiz, quien dirigió el estudio, compara el logro con medir el campo eléctrico dentro de una batería en lugar de alrededor de ella. Los métodos tradicionales para sondear núcleos se basan en instalaciones masivas que aceleran los haces de electrones hasta velocidades de colisión. Este enfoque basado en moléculas ofrece algo diferente: una forma de investigar la estructura nuclear sin la infraestructura.

La radiactividad del radio añade capas de dificultad. Los átomos se desintegran rápidamente y las moléculas de monofluoruro de radio sólo pueden producirse en pequeñas cantidades. El equipo necesitaba técnicas excepcionalmente sensibles sólo para detectar las moléculas, y mucho menos medir sus energías electrónicas con la precisión requerida.

Lo que midieron fue la distribución magnética nuclear, una propiedad que refleja cómo se organizan los protones y neutrones dentro del núcleo. Cada protón y neutrón se comporta como un pequeño imán y sus alineamientos dependen de la estructura interna del núcleo. Mapear esta distribución en el radio podría revelar si el núcleo viola simetrías fundamentales en formas que el modelo estándar no predice.

El siguiente paso consiste en enfriar aún más las moléculas y controlar las orientaciones de los núcleos en forma de pera. Con ese nivel de control, el equipo podría mapear el contenido nuclear en detalle y buscar violaciones de simetría que pudieran explicar el desequilibrio materia-antimateria.

“Se predice que las moléculas que contienen radio son sistemas excepcionalmente sensibles para buscar violaciones de las simetrías fundamentales de la naturaleza. Ahora tenemos una manera de llevar a cabo esa búsqueda”.

El trabajo se realizó en el Experimento de Espectroscopia de Ionización por Resonancia Colineal del CERN en Suiza, con el apoyo del Departamento de Energía de Estados Unidos. Shane Wilkins, autor principal del estudio y ex postdoctorado del MIT, señala que la sensibilidad de la técnica permite estudiar átomos que son raros y de vida corta. El método podría extenderse a otros núcleos radiactivos pesados, ofreciendo nuevas rutas hacia la física subatómica sin la necesidad de aceleradores de miles de millones de dólares.

Ciencia: 10.1126/science.adm7717