El gran misterio oculto en cada átomo del Universo

No tenemos la certeza de lo que sucede al interior de un átomo. Y dos grupos de investigadores con visiones distintas creen tener la respuesta al enigma. Justo ahora, estos científicos corren contrarreloj para demostrar que están en lo cierto antes que sus rivales. Del átomo sabemos que posee un núcleo, un cúmulo de protones y neutrones que proporciona al mismo la mayoría de su masa, y electrones que lo “orbitan”.

Esos protones y neutrones se mantienen muy juntos, unidos por la “interacción fuerte”. Y el número de estos protones y neutrones es lo que determina si el átomo es de hierro u oxígeno, si es estable o radiactivo.

El misterioso comportamiento de los nucleones.

Aunque dominamos estos conceptos, nadie sabe el comportamiento que estos protones y neutrones (que en conjunto se denominan nucleones) presentan al interior del átomo. Fuera de un átomo, protones y neutrones tienen tamaños y formas definidas. Cada uno se compone de tres partículas más pequeñas llamadas quarks, y la interacción entre esos quarks es tan intensa que no existe fuerza externa capaz de deformarlos.

Sin embargo, desde hace décadas los investigadores están conscientes de que la teoría resulta inadecuada. Algunos experimentos revelan que, dentro del núcleo, protones y neutrones tienen un tamaño mucho mayor a lo que se consideraría normal. La física desarrolló dos teorías distintas que buscan explicar esta discrepancia, y cada una tiene la certeza de que la otra está equivocada.

Pero, ambas posturas convergen en que, independientemente de la respuesta correcta, ésta pertenece a un campo fuera del suyo. Desde 1940, los físicos saben que los nucleones se desplazan en pequeños orbitales dentro del núcleo. Los núcleos confinados en sus movimientos poseen poca energía, y no consiguen moverse demasiado pues están limitados por la interacción fuerte.

El efecto EMC.

En 1983, un equipo de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) se percató de algo inusual: los haces de electrones rebotaban en el hierro de una forma muy distinta a como lo hacían los protones libres. Dado que los protones dentro del hidrógeno tenían el mismo tamaño que los protones dentro del hierro, este comportamiento era inesperado. En teoría, deberían rebotar de la misma forma.

A medida que pasó el tiempo, los científicos empezaron a creer que se trataba de una cuestión de tamaño. Por alguna razón, protones y neutrones al interior de los núcleos pesados actúan como si fueran más grandes cuando están fueran del núcleo. El fenómeno se denominó efecto EMC, siglas que hacen referencia a la Colaboración Europea Muon, el grupo que descubrió accidentalmente dicho efecto. El problema es que esto contraria a las teorías nucleares físicas.

Hen vs Cloët.

Or Hen, un físico nuclear del Instituto de Tecnología de Massachusetts, en Estados Unidos, cree que su equipo tiene la solución a esta discrepancia. Argumentan que, a pesar de que los quarks tienen una interacción importante al interior de un protón o neutrón, los quarks en diferentes protones y neutrones no logran interactuar mucho entre sí. La interacción fuerte al interior de un nucleón es tan intensa que interfiere con la interacción fuerte que une nucleones a otros nucleones.

La analogía de la brisa.

“Imagina que estás dentro de tu habitación con las ventanas cerradas platicando con dos amigos”, dice Hen. Los tres individuos en la habitación representan a los quarks dentro de un neutrón o protón. “Y una brisa fresca sopla afuera”.

Dicha brisa es la fuerza que une al protón o neutrón a los nucleones que están en la parte exterior de la ventana. Aunque un poco de viento lograra colarse por la ventana cerrada, esto no tendría efecto alguno sobre ti. Siempre y cuando los nucleones se mantengan en sus orbitales.

Sin embargo, experimentos recientes muestran que el 20% de los nucleones se encuentran fuera de sus orbitales. Y se emparejan con otros nucleones, interactuando en correlaciones a corta distancia. Bajo estos parámetros, las interacciones entre los nucleones son mucho más enérgicas de lo normal, explica el investigador.

La interacción de los quarks.

Esto sucede porque los quarks interactúan directamente con otros quarks, y estas interacciones son mucho más poderosas que las interacciones que suceden cuando los quarks están contenidos al interior de sus nucleones.

Dichas interacciones derriban las paredes que separan a los quarks dentro de los protones o neutrones individuales. Los quarks del protón y los quarks de los neutrones empiezan a ocupar el mismo espacio. Esto provoca que los protones o neutrones se estiren y vuelvan borrosos. Crecen mucho en períodos cortos de tiempo. Terminando con un aumento del tamaño del núcleo, lo que generaría el efecto EMC.

Esta interpretación del efecto EMC es la más aceptada, aunque no todos creen que el equipo de Hen solucionó completamente el enigma. Ian Cloët, un físico nuclear del Laboratorio Nacional Argonne, en Estados Unidos, señala que el trabajo de Hen incluye conclusiones que no están respaldadas al 100% por los datos.

“Considero que el efecto EMC aún no está resuelto. Si empleas este modelo e intentas analizar el efecto EMC, no describes el efecto EMC. No existe ninguna explicación exitosa para el efecto EMC empleando este raciocinio. Por eso, desde mi perspectiva, el misterio está vigente”, señala Cloët.

Cromodinámica cuántica.

El físico considera que la respuesta podría estar en la QCD, o cromodinámica cuántica, el sistema que controla el comportamiento de los quarks. Emplear la QCD para estudiar este fenómeno sería como cambiar una televisión de tubo de rayos catódicos por una televisión de alta resolución pues, aunque ofrece más detalles es un sistema mucho más complejo.

Tan complejo que las ecuaciones de la QCD son muy difíciles de resolver. Incluso las supercomputadoras modernas están a un siglo de conseguir dicho defecto, según las estimaciones de Cloët.

Pese a los contratiempos, cree posible trabajar con la QCD para responder varias cuestiones del efecto EMC. “La imagen que tengo es que sabemos que al interior del núcleo tenemos estas fuerzas nucleares muy fuertes, parecidas a los campos electromagnéticos, con la excepción de que son campos de interacción fuerte”, dice Cloët.

Hen y Cloët aseguraron que los resultados de experimentos en los próximos años pueden resolver definitivamente este misterio. También hicieron énfasis en que el debate es amigable y positivo de ambas partes.