Evaluation of Phenomenological Characteristics of the Two-Proton Decay of the 45Fe Nucleus

En el extremo límite del mundo atómico, donde las fuerzas que mantienen unido un núcleo se estiran hasta su punto de ruptura, ocurre un evento raro y fugaz. Algunos núcleos atómicos son tan pesados en protones que no pueden retenerlos todos; son inestables y deben desprenderse del exceso para encontrar la estabilidad. Mientras que muchos átomos inestables simplemente expulsan un solo protón, un grupo muy específico de núcleos ubicados más allá de la "línea de goteo de protones" enfrenta un desafío diferente: deben expulsar dos protones a la vez. Este fenómeno, conocido como radioactividad de dos protones, es una delicada danza de la mecánica cuántica donde la sincronización y la interacción de las partículas que escapan revelan la estructura oculta del núcleo. Durante décadas, los físicos han debatido cómo sucede esto: ¿se van los dos protones uno tras otro, haciendo una breve pausa en un estado intermedio real, o escapan juntos en un estallido único y coordinado a través de una configuración virtual y fugaz? Comprender este proceso es crucial porque actúa como una sonda de las fuerzas fundamentales que dan forma al núcleo atómico, ofreciendo una ventana al comportamiento de la materia bajo condiciones que no pueden crearse en ningún otro lugar del universo.

Un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Voronezh ha desarrollado un nuevo marco matemático para responder a estas preguntas, aplicándolo al núcleo de hierro-45, un sistema de referencia para este tipo de desintegración. El hierro-45 es un isótopo raro que se encuentra justo en el borde de la estabilidad y, cuando se desintegra, se transforma en cromo-43 al expulsar dos protones. Los científicos crearon una teoría sofisticada basada en el concepto de una "función de Green", que actúa como un puente que conecta el núcleo inicial con el final a través de la etapa intermedia. Este enfoque les permite tratar la emisión de los dos protones como dos pasos consecutivos, pero con un giro crucial: la teoría tiene en cuenta ambos escenarios donde el núcleo intermedio existe como un estado real y temporal, y los escenarios donde existe solo como una posibilidad matemática y virtual que nunca llega a formarse por completo. Al utilizar este método unificado, los investigadores pudieron calcular no solo qué tan rápido ocurre la desintegración, sino también las direcciones específicas en las que los protones salen disparados.

Los investigadores aplicaron su teoría al hierro-45 utilizando un modelo que tiene en cuenta la naturaleza superfluida del núcleo, donde los protones se emparejan y se mueven de manera coordinada, de forma similar a cómo se mueven los electrones en un superconductor. Probaron sus cálculos contra datos experimentales reales, observando específicamente la velocidad total de la desintegración y la distribución angular de los protones emitidos. Los resultados mostraron una sensibilidad sorprendente a la elección del potencial nuclear, que es la descripción matemática del campo de fuerza dentro del núcleo. El equipo encontró que solo una versión muy específica de este potencial, una que había sido propuesta previamente en otros estudios, podía reproducir simultáneamente tanto la tasa de desintegración medida como el patrón observado de los ángulos de los protones. Otros modelos de potencial, aunque matemáticamente válidos en otros contextos, no lograron coincidir con la realidad experimental al aplicarse a esta desintegración específica.

Uno de los hallazgos más significativos es que los investigadores pudieron descartar la idea de que los protones simplemente se van como partículas independientes sin ninguna correlación, o que forman un cúmulo estrecho y preexistente llamado "diprotón" antes de escapar. En su lugar, los datos respaldan una imagen donde los protones se emiten de manera secuencial, pero el proceso está fuertamente influenciado por los estados cuánticos "virtuales" del núcleo intermedio. El estudio demostró que la distribución angular de los protones —los ángulos en los que salen disparados— contiene una firma oculta de la estructura nuclear. Cuando los investigadores compararon sus predicciones teóricas con los histogramas experimentales de los ángulos de los protones, encontraron que el potencial nuclear correcto producía una curva que coincidía casi perfectamente con los datos, capturando las sutiles asimetrías que otros modelos pasaron por alto.

El artículo concluye que este nuevo enfoque de la función de Green proporciona una herramienta consistente y poderosa para comprender la radioactividad de dos protones. Logra cerrar la brecha entre la descripción teórica de las desintegraciones secuenciales reales y las desintegraciones virtuales más elusivas, todo dentro de un único marco de mecánica cuántica. Al mostrar que la elección correcta del potencial nuclear es esencial para reproducir los resultados experimentales, el trabajo destaca cuán sensibles son estos procesos de desintegración a los detalles microscópicos del núcleo. Los investigadores enfatizan que su método no depende de ajustes arbitrarios, sino que surge naturalmente de la física subyacente del emparejamiento de protones y la estructura de capas. Esto sugiere que la correlación angular de los protones emitidos sirve como una prueba estricta para los modelos teóricos, ofreciendo una forma de distinguir entre diferentes descripciones de las fuerzas nucleares. En última instancia, el estudio confirma que el núcleo de hierro-45 se desintegra mediante un mecanismo que se describe mejor como un proceso secuencial que involucra estados intermedios virtuales, y que la forma específica del campo de fuerza nuclear es la clave para desbloquear los detalles de este raro evento cósmico.