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Investigadores japoneses han revelado cómo un tipo especial y poco estudiado de fuerza dentro del núcleo de un átomo, conocida como fuerza de tres nucleones, ayuda a mantener la materia estable.
El estudio, publicado en Physics Letters B, proporciona información sobre por qué ciertos núcleos son más estables que otros y puede ayudar a explicar procesos astrofísicos, como la formación de elementos pesados dentro de las estrellas.
Toda la materia está formada por átomos, los componentes básicos del universo. La mayor parte de la masa de un átomo está concentrada en su diminuto núcleo, que contiene protones y neutrones (conocidos colectivamente como nucleones). Comprender cómo interactúan estos nucleones para mantener el núcleo estable y en un estado de baja energía ha sido una cuestión central en la física nuclear durante más de un siglo.
UNA FUERZA POCO COMPRENDIDA
La fuerza nuclear más poderosa es la fuerza de dos nucleones, que atrae dos nucleones a larga distancia para unirlos y los repele a corta distancia para evitar que se acerquen demasiado. “Los científicos han adquirido una buena comprensión de la fuerza de dos nucleones y de cómo afecta a la estabilidad nuclear”, afirma en un comunicado el primer autor Tokuro Fukui, profesor adjunto de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Kyushu. “Por otro lado, la fuerza de tres nucleones, que es cuando tres nucleones interactúan entre sí simultáneamente, es mucho más complicada y poco comprendida".
Fukui describe las fuerzas nucleares comparándolas con un juego de lucha libre. Con la fuerza de dos nucleones, dos jugadores, o nucleones, interactúan lanzándose una pelota entre sí. La bola, una partícula subatómica llamada mesón, puede variar en peso, siendo el mesón más ligero, conocido como pión, responsable de la atracción de largo alcance entre nucleones. Con la fuerza de tres nucleones, hay tres jugadores, o nucleones, y se pasan bolas, o mesones, entre ellos. Al mismo tiempo que lanzan y atrapan las pelotas, los jugadores, o nucleones, también giran y se mueven en una órbita dentro del núcleo.
Aunque históricamente se ha considerado que la fuerza de tres nucleones tiene poca importancia en comparación con la de dos nucleones, un número creciente de estudios recientes han resaltado su importancia. Ahora, este nuevo estudio aclara el mecanismo de cómo la fuerza de tres nucleones mejora la estabilidad nuclear y demuestra que a medida que el núcleo crece, la fuerza gana en intensidad.
En su investigación, Fukui y sus colegas utilizaron teoría nuclear avanzada y simulaciones de supercomputadora para estudiar el intercambio de piones entre tres nucleones. Descubrieron que cuando se intercambian dos piones entre tres nucleones, estos últimos tienen limitaciones en su movimiento y su giro, y solo son posibles cuatro combinaciones. Sus cálculos revelaron que una de estas combinaciones, conocida como “componente de rango 1”, desempeña un papel crucial en la promoción de la estabilidad nuclear.
La mayor estabilidad se produce, explica Fukui, debido a la mejora de un proceso conocido como división espín-órbita. Cuando los nucleones giran y orbitan en la misma dirección, la alineación de estos nucleones conduce a una reducción de la energía. Pero cuando los nucleones giran y orbitan en direcciones opuestas, estos nucleones existen en un estado de energía superior. Esto significa que los nucleones se “dividen” en diferentes capas de energía, proporcionando al núcleo una estructura estable.
“Nuestras simulaciones de supercomputadora mostraron que, si bien la fuerza de tres nucleones aumenta el estado energético de los nucleones con un espín y una órbita alineados, hace que los nucleones con espines y órbitas opuestos ganen aún más energía. “Esto genera una brecha energética más grande entre las capas, lo que hace que los núcleos sean aún más estables“, revela Fukui.
La fuerza de tres nucleones podría desempeñar un papel clave en la comprensión de cómo se forman los elementos pesados a partir de la fusión de elementos más ligeros en las estrellas. A medida que esta fuerza se hace más fuerte en los núcleos más pesados, aumenta su estabilidad al crear brechas de energía más grandes entre las capas nucleares.
Esta estabilidad hace que sea más difícil para el núcleo capturar neutrones adicionales, lo que es esencial para formar elementos más pesados. En los casos en que el núcleo ya contiene un “número mágico” de protones o neutrones que llena completamente sus capas, el núcleo se vuelve excepcionalmente estable, lo que puede dificultar aún más el proceso de fusión, según la investigación.