Investigadores de la Universidad de Granada (España) han medido las
correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones, obteniendo
información directa acerca de la fuerza nuclear a esas cortas
distancias. Para ello han utilizado un nuevo método que analiza las
rápidas vibraciones cuánticas de los protones y neutrones en el interior
del núcleo.
Representación artística de las
correlaciones de corto alcance en una colisión neutrón-protón. Las
flechas representan el espín. (Foto: UGR)
Este fenómeno ha sido popularmente bautizado como “protones y neutrones enamorados” por los investigadores del Grupo de Física Hadrónica del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada (UGR) que han estado al frente de este proyecto, junto al laboratorio Lawrence Livermore de California (Estados Unidos).
Según explica José Enrique Amaro Soriano, catedrático del
departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la UGR, “en
astrofísica es crucial conocer la ecuación de estado de la materia (la
energía en función de la densidad) para las altas densidades existentes
en el interior de las estrellas de neutrones y otros objetos estelares
densos. A tan altas densidades las correlaciones de corto alcance entre
protones y neutrones pueden tener un efecto crucial en la evolución de
la estrella”.
Las repercusiones en física nuclear también son múltiples. El estudio
de las correlaciones de corto alcance permite obtener información
directa acerca de la fuerza nuclear a cortas distancias, que no se
conoce en detalle. Ya se han hecho experimentos en el acelerador JLAB en
Virginia (Estados Unidos) para observar estos protones de alta
velocidad.
El efecto está relacionado, por otra parte, con el entrelazamiento
cuántico, base de una tecnología en auge como es la computación
cuántica. “Si alguna vez se desarrolla un ordenador cuántico nuclear,
habría que tener en cuenta el efecto de las correlaciones de corto
alcance”, afirma el catedrático José Enrique Amaro Soriano.
Los núcleos atómicos son los componentes fundamentales de la materia.
Son objetos diminutos conteniendo un conglomerado de partículas,
protones y neutrones, fuertemente unidas. La fuerza de unión es tan
potente que para despegar un protón o un neutrón se deberían alcanzar
temperaturas de millones de grados, típicas del interior de una estrella
masiva.
Estas partículas, denominadas nucleones (nombre colectivo para
neutrones y protones), se encuentran en movimiento en el núcleo, con
velocidades que normalmente no llegan a 700.00 kilómetros por segundo,
menores que el 25% de la velocidad de la luz. Todo ello de acuerdo con
el principio de incertidumbre de la física cuántica, ya que las
velocidades de las partículas confinadas aumentan al disminuir el tamaño
de la región de confinamiento.
Debido a la fuerza nuclear, dos nucleones pueden encontrarse de
frente y chocar de manera violenta, adquiriendo velocidades muy
superiores, que pueden alcanzar el 70% de la velocidad de la luz, casi
triplicando su velocidad máxima. José Enrique Amaro realiza la siguiente
comparativa: “este hecho puede parecer sorprendente si pensamos en la
siguiente analogía, sería como si dos coches a 100 km/h chocaran de
frente y, durante el choque, sus velocidades aumentaran hasta 300 km/h”.
La investigación del Grupo de Física Hadrónica de la Universidad de
Granada confirma la dominancia de las correlaciones de alta velocidad
entre pares protón-neutrón (pn) frente a los pares protón-protón (pp).
Esta dominancia es del orden de 18 veces mayor. El trabajo ha sido
publicado en la prestigiosa revista especializada Physical Review C de
la Sociedad Americana de Física.
También se ha confirmado que esta dominacia de protón-neutrón sobre
protón-protón está producida fundamentalmente por la denominada “fuerza
tensorial”. Esta es una fuerza nuclear que no actúa a lo largo de la
línea ficticia que uniría a las dos partículas. La fuerza tensorial
aparece sólo entre partículas de espín 1/2 y es similar a la fuerza
entre dos imanes, que depende de la orientación de sus polos N y S. Sin
embargo, mientras que en la fuerza magnética polos iguales se repelen y
polos opuestos se atraen, en la fuerza nuclear ocurre justo al
contrario.
En este proyecto se ha utilizado la representación de la fuerza
nuclear más precisa hasta la fecha, que se desarrolló recientemente
dentro del mismo grupo de investigación de la UGR. La interacción
nuclear de Granada ha permitido resolver de forma novedosa, y con un
método muy sencillo, la ecuación que describe el choque de dos nucleones
en el interior de un núcleo, que fue propuesta por los físicos H. Bethe
y J. Goldstone en los años 50.
Universidad de Granada
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