Yoctosecond imaging of the 129Xe ground state at the Large Hadron Collider

Para comprender el núcleo de un átomo, los científicos han dependido durante mucho tiempo de dos formas muy diferentes de observar el mundo. Un enfoque utiliza experimentos de baja energía, donde haces de partículas sondean suavemente la superficie de un núcleo, revelando su forma y tamaño promedio. El otro utiliza colisiones de alta energía, chocando átomos a casi la velocidad de la luz para crear una breve y ardiente bola de fuego de partículas subatómicas. Durante décadas, estos dos mundos permanecieron mayormente separados. Las colisiones de alta energía se veían principalmente como una forma de estudiar las fuerzas fundamentales que mantienen la materia unida, mientras que los métodos de baja energía eran el estándar para mapear la estructura de átomos individuales. Sin embargo, ha surgido una nueva perspectiva: la colisión violenta misma puede actuar como una cámara, tomando una instantánea de la disposición interna del núcleo antes de que sea destruido. Esto es posible porque la colisión ocurre tan rápido que las posiciones de los protones y neutrones dentro del núcleo quedan efectivamente congeladas en su lugar durante el impacto. Al analizar los escombros que salen volando después del choque, los físicos pueden trabajar hacia atrás para reconstruir la disposición de esas partículas, imaginando efectivamente el núcleo de una manera que antes era imposible.

Un equipo de investigadores en el CERN ha llevado ahora este concepto un paso significativo más allá, utilizando datos del Gran Colisionador de Hadrones para crear una imagen detallada del estado fundamental del núcleo de xenón-129. En un estudio publicado recientemente, combinaron un modelo del núcleo como un objeto giratorio y deformado con complejas simulaciones por computadora de la colisión resultante. El objetivo era ir más allá de simplemente adivinar la forma del núcleo y, en su lugar, extraer mediciones precisas y cuantitativas de cómo sus protones y neutrones están correlacionados entre sí. Al analizar los patrones de partículas producidas en las colisiones entre átomos de xenón, y compararlos con las colisiones entre átomos de plomo, el equipo pudo determinar que el núcleo de xenón-129 no es una esfera perfecta, ni un óvalo simple. En su lugar, posee una compleja asimetría de tres lados, una forma que se alinea con las predicciones teóricas para este isótopo específico. Este logro marca un cambio de la observación cualitativa a la medición cuantitativa, permitiendo a los científicos utilizar colisionadores de partículas como instrumentos de precisión para mapear la geometría interna de los núcleos atómicos.

El proceso depende de las condiciones únicas que se crean cuando dos iones pesados colisionan a velocidades ultra-relativistas. Cuando un núcleo de xenón choca contra otro, la interacción ocurre en menos de un yoctosegundo, una escala de tiempo tan corta que los protones y neutrones dentro no pueden moverse ni reorganizarse durante el impacto. Están congelados en la configuración que mantenían justo antes del choque. Esta configuración congelada se proyecta entonces sobre el plano de la colisión, creando un patrón geométrico específico. Este patrón dicta cómo se expande y se enfría la bola de fuego de materia caliente resultante, conocida como plasma de quarks-gluones. Si el núcleo es redondo, la bola de fuego se expande uniformemente. Si el núcleo está estirado o achatado, la bola de fuego se expande más en algunas direcciones que en otras. Al medir el flujo final de partículas que emergen de esta bola de fuego, específicamente cómo se mueven en relación con las demás, los físicos pueden inferir la forma del núcleo original.

Los investigadores se centraron en el isótopo xenón-129, que es conocido por ser deformado, lo que significa que no es una esfera perfecta. Utilizaron un método estadístico llamado inferencia bayesiana para analizar un conjunto masivo de datos de colisiones. Este método les permitió probar millones de formas y orientaciones posibles contra los datos experimentales para ver cuáles coincidían con los flujos de partículas observados. Encontraron que los datos apoyan fuertemente un modelo donde el núcleo de xenón es triaxial, lo que significa que tiene tres ejes desiguales, asemejándose a una forma ligeramente aplastada e irregular, en lugar de un simple balón de rugby o un panqueque. El estudio determinó que la deformación es casi máxima, con un ángulo de asimetría específico de aproximadamente 40 grados. Este resultado es significativo porque coincide con cálculos independientes realizados por otros métodos teóricos, confirmando que el enfoque de colisión de alta energía puede extraer de manera confiable detalles estructurales que anteriormente solo eran accesibles mediante experimentos de baja energía.

Más allá de simplemente confirmar la forma, el estudio proporcionó las primeras mediciones experimentales de correlaciones específicas entre los protones y neutrones dentro del núcleo. En un sistema cuántico, la posición de una partícula a menudo está vinculada a la posición de otra, un fenómeno conocido como correlación. Los investigadores pudieron cuantificar estos vínculos tanto para pares de partículas como para grupos de tres. Encontraron que la disposición de estas partículas crea una firma distintiva en los escombros de la colisión. Por ejemplo, midieron cómo el tamaño general del núcleo se relaciona con su forma, encontrando una relación específica que se cumple para este isótopo. Estas mediciones sirven como nuevos puntos de referencia para los teóricos que intentan construir modelos fundamentales del núcleo desde cero. Al proporcionar números concretos para estas correlaciones, el estudio ofrece una nueva forma de probar y refinar las teorías que describen cómo la fuerza nuclear fuerte mantiene unida la materia.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de la estructura de un solo átomo. La capacidad de extraer la estructura nuclear detallada de colisiones de alta energía abre una nueva vía para estudiar las propiedades fundamentales de la materia. Los investigadores señalaron que sus hallazgos podrían ayudar a mejorar los cálculos para la desintegración doble beta sin neutrinos, un proceso raro que, si se observa, demostraría que los neutrinos son sus propias antipartículas. Comprender la disposición precisa de los nucleones en los núcleos parentales es crucial para predecir la tasa de esta desintegración. Además, las técnicas desarrolladas aquí podrían aplicarse a otros isótopos, revelando potencialmente nuevos detalles sobre la fuerza nuclear y el comportamiento de la materia bajo condiciones extremas. El estudio también abordó el núcleo de plomo-208, encontrando evidencia de un tipo diferente de deformación que había sido sugerida por otros experimentos, validando aún más el método de sensibilidad.

Esta investigación demuestra que el Gran Colisionador de Hadrones, a menudo asociado con la búsqueda de nuevas partículas y los orígenes del universo, también puede servir como un poderoso microscopio para el núcleo atómico. Al tratar la colisión como una sonda repentina que congela la configuración nuclear, los científicos han convertido un evento destructivo en una fuente de información estructural precisa. El éxito del equipo al mapear el núcleo de xenón-129 sugiere que este enfoque puede usarse para explorar los estados fundamentales de muchos otros isótopos, proporcionando una gran cantidad de nuevos datos para los físicos nucleares. Los hallazgos confirman que la compleja dinámica de muchos cuerpos de protones y neutrones deja una impronta clara y medible en los escombros de las colisiones de alta energía, cerrando la brecha entre el mundo de la alta energía de la física de partículas y el mundo de la baja energía de la estructura nuclear.