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Así fue como sintetizaron átomos exóticos que no existen en la Tierra

En un laboratorio de física de partículas, a orillas del río Aar en el Instituto Paul Scherrer en Suiza, un grupo de científicos logró crear materia que no se encuentra de forma natural en la Tierra.

Los átomos ordinarios tienen un núcleo con protones y neutrones, y electrones que le orbitan. Este experimento sin precedentes consiste en tomar átomos ordinarios de helio, arrancar uno de sus dos electrones, y reemplazarlo por una partícula con carga eléctrica negativa llamada pión-menos. Los científicos denominaron al nuevo átomo exótico: helio piónico.

Así como los protones y los neutrones, los piones son compuestos de quarks, pero en vez de tres, tienen dos: un quark y un antiquark. Naturalmente se pueden observar en reacciones entre partículas subatómicas que viajan a velocidades cercanas a la luz. Pueden tener carga positiva (pión-más), negativa (pión-menos) o ser neutros.

La vida de un pión es extremadamente corta. En menos de una millonésima de segundo, se desintegra en otras partículas. Sin embargo, no son raros en nuestro planeta. Ellos están constantemente generándose cuando protones o núcleos atómicos, que vienen del espacio exterior, chocan contra las moléculas de los gases en la atmósfera. Una sola colisión crea miles de millones de partículas subatómicas que caen como una cascada.

La corta vida de los piones no les permite llegar hasta la superficie de la Tierra, de modo que para poder ser observados, es necesario instalar experimentos a grandes alturas o producirlos en aceleradores de partículas.

La existencia del pión fue propuesta primero teóricamente por el físico japonés Hideki Yukawa, en 1937, para explicar por qué los protones se mantienen unidos en el núcleo, a pesar de tener la misma carga eléctrica. A través de esta predicción, Yukawa sugirió la existencia de una cuarta fuerza de la naturaleza que conocemos como “fuerza nuclear fuerte”.

Después de la segunda guerra mundial, Cecil Powell, César Lattes y Giuseppe Occhialini de la Universidad de Bristol, Reino Unido, lograron observar por primera vez a los piones instalando detectores de partículas en los Pirineos. Meses más tarde, subieron al monte Chacaltaya en Bolivia, donde ratificaron este extraordinario hallazgo.

El descubrimiento del pión representó un hito en el entendimiento de la estructura de la materia y sus interacciones e impulsó el desarrollo del Modelo Estándar de partículas subatómicas.

Yukawa fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1949. En 1950, la organización Nobel reconoció a Cecil Powell y Giuseppe Occhialini.

El intrincado proceso de sintetizar helio exótico

Fueron necesarios ocho años de trabajo arduo para que el Dr. Mazaki Hori y sus colaboradores del Instituto Max Planck de Óptica Cuántica y del Centro Europeo para Investigación Nuclear (Cern), lograran comprobar que es posible sintetizar helio piónico.

El objetivo sólo pudo alcanzarse usando el ciclotrón productor de piones más potente del mundo que está en el Instituto Paul Scherrer de Ingeniería y Ciencias Naturales en Suiza. Durante el delicado experimento, un cañón dispara protones que impactan a una lámina de grafito. La colisión produce un chorro de piones dirigidos a un contenedor de helio enfriado hasta unos pocos grados sobre el cero absoluto de temperatura.

Después de un gran maratón de experimentos, Hori y colaboradores consiguieron observar menos de una decena de átomos de helio piónico en un océano con miles de millones átomos de helio regulares.

¿Cómo identifican los científicos a un elemento exótico? La manera de distinguir un átomo de otro es a través de su espectro de luz. Esto es, cuando la luz impacta un átomo, se forma un patrón con líneas de colores que es único para cada elemento. Esto sucede cuando los electrones excitados por la energía de la luz, saltan de un estado cuántico a otro.

En el caso del helio piónico, el pión-menos se comporta como un electrón muy pesado. Hori y sus colaboradores utilizaron una técnica con luz láser para poder excitar al pión y hacerle cambiar su estado de energía. En este proceso, el pión-menos finalmente cae hacia el núcleo y el átomo se destruye. Los residuos del helio piónico son detectados como prueba del triunfo del experimento.

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