Visión transparente de los bloques de construcción atómicos a través de la cinemática inversa
Utilizando la cinemática inversa, la inversión elegante de un método de investigación establecido, y eligiendo las condiciones de medición adecuadas, un equipo internacional presentó una forma de estudiar en detalle las propiedades de la interacción nucleón-nucleón en el núcleo atómico. El experimento fue realizado por una gran colaboración internacional (BM@N Collaboration) dirigida por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), la Universidad de Tel Aviv, la Universidad Técnica de Darmstadt y el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear (JINR) en las instalaciones del acelerador del JINR en Dubna, cerca de Moscú, y se publica en el último número de Nature Physics.
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Los sistemas mecánicos cuánticos de muchos cuerpos que interactúan fuertemente son particularmente difíciles de estudiar experimentalmente en la naturaleza. Uno de estos sistemas es el núcleo atómico, que se mantiene unido por la interacción fuerte entre sus componentes, los nucleones. Estudiar las propiedades de esta interacción en la estructura nuclear densa es un gran reto. Para ello, por ejemplo, se utilizan haces de protones de alta energía con pequeñas longitudes de onda, que se disparan como sondas a los núcleos atómicos que se quieren investigar. Sin embargo, este método dificulta la obtención de una visión sin obstáculos de la estructura microscópica con la ayuda de la sonda debido a las complejas interacciones múltiples.
Aquí es donde entran los científicos de la colaboración. Para sus experimentos, que se han publicado ahora en Nature Physics, invirtieron el principio del montaje experimental: trabajaron con cinemática inversa. En lugar de disparar un haz de protones a un núcleo atómico, hicieron que los núcleos de carbono a estudiar golpearan protones en reposo. De este modo, lograron demostrar que en tales experimentos, pero en cinemática inversa, es posible una selección del estado final que excluye los procesos de dispersión que implican interacciones más complejas, permitiendo así estudios precisos de las fuerzas en el núcleo atómico sin el "ruido" perturbador de otros efectos físicos. La clave del experimento descrito en Nature Physics fue la inversión de la cinemática, en la que el núcleo en estudio se dispara como un haz de alta energía (en este caso, un haz de 12C de unos 3 GeV/nucleón) a protones en reposo (en forma de blanco de hidrógeno líquido). Esto, además de medir los nucleones dispersados, permite una medición precisa del estado final del núcleo después del proceso de dispersión, lo que no es posible en los experimentos en cinemática normal. El análisis del experimento demostró que los procesos de dispersión directa pueden identificarse mediante una selección adecuada del estado final. De este modo, se puede obtener información sobre las propiedades de los nucleones en el estado básico del núcleo.
Esta selectividad permitió a los científicos obtener nuevos conocimientos sobre la parte de corto alcance de la interacción nucleón-nucleón ya en este primer experimento. Las propiedades de las interacciones nucleón-nucleón y multinucleón a pequeñas distancias son de especial interés: Es especialmente importante para comprender las propiedades de la materia nuclear rica en neutrones de alta densidad, como la que existe en el universo en forma de estrellas de neutrones.
El Dr. Meytal Duer, miembro del personal del Instituto de Física Nuclear (AG Aumann) de la Universidad Técnica de Darmstadt y responsable de gran parte del análisis del experimento ahora publicado, explica: "Este avance experimental abre el camino para explorar en detalle las propiedades de la interacción nucleón-nucleón de corto alcance en los núcleos ricos en neutrones de vida corta." Tales núcleos podrían producirse en forma de haces intensos en el nuevo centro acelerador FAIR de Darmstadt, dijo Duer. La colaboración ya está planeando un primer experimento con un núcleo inestable en la instalación R3B (Reacción con Haces Radiactivos Relativistas) del Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados del GSI en Darmstadt el próximo año.
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