Artículo publicado por Edwin Cartlidge el 3 de enero de 2013 en physicsworld.com
Calculando el comportamiento de protones
y neutrones dentro de núcleos de carbono a partir de sus principios
básicos, físicos de Alemania y Estados Unidos han identificado la forma
del estado de Hoyle del carbono – que es un paso importante en la
producción de elementos pesados dentro de las estrellas. Los
investigadores encontraron que el estado tiene una estructura
inusualmente doblada, un hallazgo que ayudaría a identificar las fuerzas
que entran en juego en la producción del carbono.
El carbono-12 contiene seis protones y
seis neutrones, y es un paso clave en la nucleosíntesis – el proceso
mediante el cual se producen elementos más pesados en el interior de las
estrellas. Los físicos que estudiaban la fusión estelar en las décadas
de 1940 y 1950, observaron que el carbono-12 se forma cuando se fusionan
dos núcleos de helio-4 para producir berilio-8 – el cual se fusiona con
un tercer núcleo de helio-4. Sin embargo, había un problema con esta
hipótesis. La energía de las partículas fusionadas era considerablemente
mayor que el estado base del carbono-12. Esto implica que la formación
de la nueva partícula es, de hecho, extremadamente improbable a través
de esta vía – demasiado improbable como para tener en cuenta la gran
abundancia de carbono en el universo.
Núcleo de helio-4 formando un “brazo doblado” en el carbono-12 Crédito: North Carolina State University
De acuerdo con Hoyle
Para solventar esta aparente
contradicción, el astrónomo británico Fred Hoyle, propuso en 1954 que el
carbono-12 tenía un estado excitado que nunca se había observado
anteriormente. La idea es que el carbono-12 se formaría inmediatamente
en este estado, y luego decaería a su estado base, emitiendo una
cantidad de energía bien definida (7,6 MeV) en el proceso. Este estado
excitado se observó tres años más tarde por investigadores del Instituto
Tecnológico de California (Caltech), cuando llevaban a cabo
experimentos que implicaban la desintegración beta del boro-12.
Durante los últimos 60 años, los físicos
nucleares han estado intentando comprender la naturaleza de este
“estado de Hoyle”, que no se predice en los modelos nucleares estándar.
Estos modelos consideran que el núcleo está compuesto por protones y
neutrones aislados, y se observó que el estado de Hoyle se describe
mejor como tres cúmulos de helio-4. Esos cúmulos han sido identificados
ahora por Ulf Meissner, de la Universidad de Bonn, y sus colegas,
gracias a la potencia de cálculo del supercomputador JUGENE, en Jülich, y
una nueva forma de la “teoría de campo efectiva” de Steven Weinberg,
que considera a los protones y nucleones como entidades individuales en
lugar de estados ligados de tres quarks.
Rejilla espacio-temporal
La teoría de Weinberg reduce el número
de partículas que pueden considerarse para formar un núcleo de
carbono-12, dividiéndolo por tres – de 36 a 12. No obstante, incluso 12
son demasiadas para una descripción analítica del núcleo. En lugar de
esto, el grupo de Meissner combinó la teoría con modelos numéricos a
menudo usados para describir la interacción de quarks individuales a
través de la fuerza nuclear fuerte. Este enfoque divide el
espacio-tiempo en trozos discretos, forzando a las partículas a existir
solo en los vértices de una rejilla espacio-temporal y, por tanto,
simplificando radicalmente la posible evolución del sistema de
partículas.
En un artículo publicado en 2011,
Meissner y sus colaboradores describen cómo usaron este enfoque híbrido
para identificar el estado de Hoyle. Para hacer esto, primero
calcularon el estado base del carbono-12, estableciendo un vasto número
de configuraciones de los protones y neutrones virtuales dentro de
JUGENE, y luego observando qué sucedía cuando esas configuraciones
evolucionaban a lo largo del tiempo. La configuración que duró más, la
que era más estable, era el estado base. Identificar el estado de Hoyle
fue un tanto complejo, dado que implicaba la parada de la simulación en
un punto anterior y luego en desentrelazamiento de varios estados que
quedaban. A pesar de los desafíos en el calibrado de su simulación
usando dispersión y otros datos, sus valores calculados para la energía
del estado base del carbono-12 y del estado de Hoyle concordaban muy
bien con el experimento.
Forma de “brazo doblado”
Ahora, en su último trabajo, el equipo
ha calculado la estructura de esos estados usando una representación más
sofisticada de la función de onda nuclear. Haciendo un símil de los
nucleones y grupos de nucleones con piezas de LEGO, Meissner dice que
“antes teníamos piezas de un único tamaño, ahora tenemos toda una serie
de piezas de distintos tamaños que podemos usar para construir
estructuras más complejas”. Basándose en esas estructuras, el grupo
encontró que en el estado base, el carbono-12 consta de tres cúmulos de
helio-4 ordenados en una formación compacta de triángulo equilátero,
mientras que, en el estado de Hoyle, los tres cúmulos forman un
triángulo obtuso, o forma de “brazo doblado”. Esta configuración más
abierta, explican los investigadores, es el resultado de la energía
extra del sistema.
Un aspecto apasionante de la
investigación, de acuerdo con Morton Hjorth-Jensen, de la Universidad de
Oslo, en Noruega, es que debería permitir a los científicos comprender
qué parte de la fuerza nuclear fuerza dicta la desintegración del
carbono-12. Esto es importante debido a que la fuerza, de hecho, consta
de varios elementos, incluyendo algunos que deforman los núcleos. “Hoyle
predijo su estado en base al principio antrópico, defendiendo que si es
estado no existía, nosotros no estaríamos aquí”, señala. “Pero ahora
queremos comprender la estructura de este estado en términos de sus
constituyentes básicos y fuerzas”.
Pruebas experimentales
Mientras tanto, David Jenkins de la
Universidad de York, en el Reino Unido, señala que el último trabajo
realiza una serie de predicciones explícitas que podrían, en principio,
comprobarse de forma experimental, incluyendo la existencia de un número
de transiciones electromagnéticas que implican al estado de Hoyle. Pero
añade que estas transiciones son muy débiles y, por tanto, difíciles de
medir. “Tales experimentos no serán un desafío menor que el logro
teórico conseguido”, comenta, “pero habrá nuevos esfuerzos dado el
fuerte interés en el tema”.
De acuerdo con Meissner, también hay más
trabajo teórico por delante. Un trabajo, señala, es reducir los
espacios en la rejilla virtual, para hacer cálculos más precisos. Otro
es investigar núcleos más grandes, tales como el oxígeno-16, así como
las reacciones que dan lugar a estos núcleos – en este caso, carbono-12
combinado con helio-4. “Es una reacción muy importante en la secuencia
que genera las moléculas de la vida”, añade.
El último trabajo se publica en la revista Physical Review Letters.
Autor: Edwin Cartlidge
Fecha Original: 3 de enero de 2013
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