Investigadores de la UGR explican por qué los protones chocan más con los neutrones en el interior de un núcleo

Un estudio de la Universidad de Granada mide las correlaciones de corto alcance entre ambas partículas, obteniendo información directa acerca de la fuerza nuclear a cortas distancias

Investigadores de la Universidad de Granada han desarrollado un método eficiente para determinar las rápidas vibraciones cuánticas de los protones y neutrones en el interior del núcleo atómico, denominadas correlaciones de corto alcance. Este trabajo tiene importantes repercusiones en astrofísica, ya que las correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones pueden tener un efecto crucial en la evolución de las estrellas.

Este fenómeno ha sido popularmente bautizado como “protones y neutrones enamorados” por Ignacio Ruiz Simó, José Enrique Amaro Soriano, Enrique Ruiz Arriola y Rodrigo Navarro Pérez, todos ellos investigadores del Grupo de Física Hadrónica del IC1 (Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional) de la Universidad de Granada, quienes 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”.

Representación artística de las correlaciones de corto alcance en una colisión neutrón-protón. Las flechas representan el espín/UGR

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, se encuentran en movimiento en el núcleo, con velocidades que normalmente no llegan a 70000 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.

Referencia bibliográfica:
Coarse graining the Bethe–Goldstone equation: Nucleon–nucleon high-momentum components, por Ignacio Ruiz Simó, Rodrigo Navarro Pérez, José Enrique Amaro, y Enrique Ruiz Arriola, Physical Review C 96, 054006 – 2017. https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.96.054006

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