No importa el tamaño de un grupo nuclear, algunos protones y neutrones siempre se emparejarán y bailarán

Comportamiento simulado de protones y neutrones

Un equipo dirigido por el MIT simuló el comportamiento de protones y neutrones en varios tipos de núcleos atómicos y descubrió que las fórmulas que describen cómo se comportan los átomos en un gas se pueden generalizar para predecir cómo los protones y neutrones interactúan a corta distancia en el núcleo. Crédito: Collage de MIT News. Imagen de estrella de neutrones: rayos X (NASA / CXC / ESO / F. Vogt et al); Óptico (ESO / VLT / MUSE & NASA / STScI)

Los hallazgos sobre interacciones nucleares de corto alcance ayudarán a los científicos a investigar estrellas de neutrones y núcleos radiactivos pesados.

Los átomos en un gas pueden parecer fiesteros en un rave nanoscópico, con partículas dando vueltas, emparejándose y volando de nuevo de una manera aparentemente aleatoria. Y, sin embargo, los físicos han ideado fórmulas que predicen este comportamiento, incluso cuando los átomos están muy juntos y pueden tirarse y tirarse unos de otros de formas complicadas.

El ambiente dentro del núcleo de un solo átomo parece similar, con protones y neutrones también bailando. Pero debido a que el núcleo es un espacio tan compacto, los científicos han luchado por precisar el comportamiento de estas partículas, conocidas como nucleones, en el núcleo de un átomo. Los modelos que describen las interacciones de nucleones que están muy separados se rompen cuando las partículas se emparejan e interactúan a corta distancia.

Ahora un MITEl equipo dirigido ha simulado el comportamiento de protones y neutrones en varios tipos de núcleos atómicos, utilizando algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo. El equipo exploró una amplia gama de modelos de interacción nuclear y descubrió, sorprendentemente, que las fórmulas que describen cómo se comportan los átomos en un gas pueden generalizarse para predecir cómo interactúan los protones y neutrones a corta distancia en el núcleo.

Cuando los nucleones están separados por menos de 1 femtómetro (1 billonésima parte de un metro), los investigadores encontraron otra sorpresa: las partículas se emparejan de la misma manera, independientemente de si habitan en un núcleo pequeño como el helio o en uno más poblado como el calcio.

“A estas parejas de corto alcance realmente no les importa su entorno, ya sea que estén en una gran fiesta o en una fiesta de cinco, no importa, se emparejarán de la misma manera universal”, dice Reynier Cruz. Torres, quien codirigió el trabajo como estudiante de posgrado en física en el MIT.

Este comportamiento de corto alcance probablemente sea universal para todos los tipos de núcleos atómicos, como los núcleos mucho más densos y complicados de los átomos radiactivos.

“La gente no esperaba que este tipo de modelo capturara núcleos, que son algunos de los objetos más complicados de la física”, dice Or Hen, profesor asistente de física en el MIT. “A pesar de una diferencia de densidad de más de 20 órdenes de magnitud entre un átomo y un núcleo, todavía podemos encontrar este comportamiento universal y aplicarlo a muchos problemas abiertos en física nuclear”.

El equipo ha publicado sus resultados en la revista Física de la naturaleza. Los coautores del MIT incluyen a Axel Schmidt, un investigador afiliado en el Laboratorio de Ciencias Nucleares, junto con colaboradores de la Universidad Hebrea, Los Alamos y los Laboratorios Nacionales Argonne, y varias otras instituciones.

Parejas de fiesta

Hen busca comprender las confusas interacciones entre protones y neutrones en un rango extremadamente corto, donde el tirón y tirón entre los nucleones en el entorno muy pequeño y denso del núcleo ha sido notoriamente difícil de precisar. Durante años, se ha preguntado si un concepto de la física atómica conocido como formalismo por contacto también podría aplicarse a la física nuclear y al funcionamiento interno del núcleo.

En términos muy generales, el formalismo de contacto es una descripción matemática general que demuestra que el comportamiento de los átomos en una nube depende de su escala: los que están lejos unos de otros siguen una física determinada, mientras que los átomos muy juntos siguen un conjunto de física completamente separado. Cada grupo de átomos lleva a cabo sus interacciones ajenas al comportamiento del otro grupo. Según el formalismo de contacto, por ejemplo, siempre habrá un cierto número de pares ultracerrados, independientemente de lo que estén haciendo otros átomos más distantes en la nube.

Hen se preguntó si el formalismo de contacto también podría describir las interacciones dentro del núcleo de un átomo.

“Pensé que no puede ser que veas este hermoso formalismo, que ha sido una revolución en la física atómica y, sin embargo, no podemos hacer que funcione para la física nuclear”, dice Hen. “Era demasiada conexión”.

“A escala humana”

Los investigadores se unieron primero a Ronen Weiss y Nir Barnea en la Universidad Hebrea, quienes lideraron el desarrollo de una generalización teórica del formalismo de contacto atómico, para describir un sistema general de partículas que interactúan. Luego buscaron simular partículas en un ambiente nuclear pequeño y denso, para ver si surgirían patrones de comportamiento entre los nucleones de corto alcance, de una manera completamente separada de la de los nucleones de largo alcance, como lo predice el formalismo de contacto generalizado.

El grupo simuló interacciones de partículas dentro de varios núcleos atómicos ligeros, que van desde tres nucleones en helio hasta 40 en calcio. Para cada tipo de núcleo atómico, ejecutaron un algoritmo de muestreo aleatorio para generar una película de dónde podrían estar cada uno de los protones y neutrones en un núcleo dado a lo largo del tiempo.

“En un momento determinado, estas partículas pueden distribuirse de una manera, interactuando entre sí con un esquema dado, donde este se empareja con el otro, por ejemplo, y en su lugar se patea una tercera partícula. Luego, en otro momento, se distribuirán de manera diferente ”, explica el coautor principal Diego Lonardoni, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos y de la Universidad Estatal de Michigan. “Así que repetimos estos cálculos una y otra vez para alcanzar el equilibrio”.

Para ver surgir algún tipo de equilibrio o patrón, el equipo tuvo que simular toda la física posible entre todas y cada una de las partículas, generando miles de instantáneas para cada tipo de núcleo. Para realizar este número de cálculos normalmente se necesitarían millones de horas de tiempo de procesamiento.

“Mi computadora portátil necesitaría más que la edad del universo para completar el cálculo”, dice Hen. “Si distribuye el cálculo entre 10,000 procesadores, puede obtener su resultado en un tiempo a escala humana”.

Entonces, el equipo usó supercomputadoras en Los Alamos y en el Laboratorio Nacional Argonne, algunas de las computadoras más poderosas del mundo, para distribuir el trabajo en paralelo.

Después de ejecutar las simulaciones, trazaron una distribución de nucleones para cada tipo de núcleo que simularon. Por ejemplo, para un núcleo de oxígeno, encontraron un cierto porcentaje de nucleones separados por 1 fermi, y otro porcentaje que estaba un poco más cerca, y así sucesivamente.

Sorprendentemente, encontraron que, para los nucleones de largo alcance, la distribución variaba mucho de un tipo de núcleo a otro. Pero para los nucleones de corto alcance que estaban separados por menos de 1 femtómetro, las distribuciones entre los tipos atómicos parecían exactamente iguales, sin importar si los nucleones habitaban un núcleo de helio ultraligero o un núcleo de carbono más denso. En otras palabras, los nucleones de corto alcance se comportaron independientemente de su entorno a mayor escala, similar a cómo se describe el comportamiento atómico a través del formalismo de contacto.

“Nuestro hallazgo ofrece una forma nueva y sencilla de precisar la parte de corta distancia de la distribución nuclear que, junto con la teoría existente, permite esencialmente obtener la distribución completa”, dice Hen. “Con eso, podemos probar la naturaleza del neutrino y calcular las tasas de enfriamiento de las estrellas de neutrones, entre otras preguntas abiertas”.

Referencia: “Factorización y posición de muchos cuerpos – equivalencia de momento de correlaciones nucleares de corto alcance” por R. Cruz-Torres, D. Lonardoni, R. Weiss, M. Piarulli, N. Barnea, DW Higinbotham, E. Piasetzky, A . Schmidt, LB Weinstein, RB Wiringa y O. Hen, 9 de noviembre de 2020, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-020-01053-7

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Departamento de Energía de los Estados Unidos, la Fundación Pazy, la Fundación de Ciencias de Israel y la Fundación Clore.

Pilar Benegas es una reconocida periodista con amplia experiencia en importantes medios de USA, como LaOpinion, Miami News, The Washington Post, entre otros. Es editora en jefe de Es de Latino desde 2019.