PROTONES Y NEUTRONES ENAMORADOS

El entrelazamiento cuántico entre nucleones por efecto de las correlaciones nucleares

Por  Ignacio Ruiz Simó, José Enrique Amaro, Enrique Ruiz Arriola y Rodrigo Navarro Pérez.

Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear
e Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional
Universidad de Granada

Investigadores del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear y del
Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional 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. El trabajo de investigación ha sido desarrollado en colaboración con el Laboratorio Lawrence Livermore, en California (Estados Unidos). El algoritmo se puede aplicar a sistemas cuánticos de dos partículas sumergidas en un medio denso y se basa en la representación granulada de la fuerza nuclear que fue desarrollada también por el mismo grupo de Física Hadrónica en la Universidad de Granada.

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Figura 1: Idealización de un protón y un neutrón correlacionados en el interior de un núcleo atómico, cuyas propiedades se han investigado por el Grupo de Física Hadrónica de la UGR. La distorsión a cortas distancias produce correlaciones
consistentes en violentas oscilaciones cuánticas de las zonas en contacto. Las flechas representan los vectores de espín.

Los núcleos atómicos son componentes fundamentales de la materia. Son partículas increiblemente diminutas conteniendo un conglomerado de protones y neutrones fuertemente unidos. La fuerza de unión es tan fuerte que para despegar un protón o un neutrón tendríamos que calentar el núcleo a 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 setenta mil. kilómetros por segundo. Estas velocidades son menores que el 25% de la velocidad de la luz. Esto está de acuerdo con la teoría de la física cuántica, ya que las velocidades de las partículas confinadas son inversamente proporcionales a las dimensiones de la región de confinamiento, en este caso un núcleo atómico, con un radio de unos pocos femtometros (1 fm = 10^-15 m).

Debido a la fuerza nuclear, en ocasiones 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. 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.

Este es un efecto genuinamente cuántico, conocido como correlaciones de corto alcance, que tiene una importancia fundamental en física nuclear y en astrofísica. Este fenómeno está directamente relacionado con el denominado entrelazamiento cuántico, que es la base de tecnologías en auge como la computación cuántica.

El grupo de investigación HADRONICA de la UGR ha confirmado 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. Es como si la probabilidad de alcanzar altas velocidades fuera mucho mayor cuando chocan coches de distinto color que cuando estos coches son del mismo color. Este trabajo ha sido publicado en la venerable revista especializada Physical Review C de la Sociedad Americana de Física.

También se ha confirmado que esta dominacia de pn sobre pp 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 esta investigación 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.

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Referencia:

Coarse graining the Bethe–Goldstone equation: Nucleon–nucleon
high-momentum components,

por Ignacio Ruiz Simo, Rodrigo Navarro Pérez,
José Enrique Amaro, y Enrique Ruiz Arriola,

Physical Review C 96, 054006 – Published 27 November 2017.

https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.96.054006

Descargar en pdf el preprint en la base de datos arXiv.org:

https://arxiv.org/abs/1708.00878

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Contacto:

amaro@ugr.es

ruizsig@ugr.es

 

 

 

 

Libro explora posibilidad de viajar en el tiempo desde una mirada divulgativa

Artículo publicado en la vanguardia el 15-5-2016

AND-CIENCIA DIVULGACIÓN

 

Granada, 15 may (EFE).- El físico nuclear y profesor de la Universidad de Granada José Enrique Amaro aborda en su última publicación la posibilidad de viajar en el tiempo, desde una perspectiva científica y a la vez divulgativa, y explora las claves de este curioso tema a partir de la teoría de la relatividad.

“La posibilidad de viajar en el tiempo. Senderos cósmicos al futuro y al pasado” (Editorial RBA) es el título del libro, disponible desde la pasada semana, que se adentra en temáticas como las máquinas del tiempo y las puertas del tiempo.

En una entrevista con Efe, Amaro ha explicado que, como físico teórico y aficionado a la ciencia ficción, le atrajo la idea de un libro de divulgación sobre los viajes en el tiempo y máquinas del tiempo desde el punto de vista de la física.

El libro tiene como lector a un público interesado pero no especialista, de ahí que se plantee con un estilo directo y ágil, que evita además las formalizaciones complejas, es autosuficiente y se centra en transmitir unas pocas ideas principales.

Según su autor, el estudio de los viajes en el tiempo pertenece, en primer lugar, al dominio de la física teórica y, desde la perspectiva científica, hace cien años era imposible, ya que el tiempo en la física de Newton era absoluto e inalterable, pero la teoría de la relatividad especial de Einstein supuso un cambio radical.

Con esta premisa, el paso del tiempo depende del movimiento del observador, por lo que trasladándose a una velocidad próxima a la de la luz sería posible viajar al futuro.

La mayor revolución surgió con la relatividad general, una teoría según la cual el tiempo y el espacio se curvan cerca de un campo gravitatorio, lo que posibilita los viajes al pasado.

“Mucha gente ignora que la posibilidad y las consecuencias físicas de la existencia de máquinas del tiempo han sido investigadas seriamente”, ha indicado este científico, que ha detallado que eminentes físicos teóricos de la talla de Stephen Hawking, Kurt Gödel, Kip Thorne o Richard Gott han estudiado las soluciones de las ecuaciones de Einstein que implican un viaje en el tiempo.

La existencia de una máquina del tiempo posibilitaría dos de los sueños del ser humano, como son viajar al pasado y revivir los recuerdos o modificar los sucesos pretéritos y conocer lo que nos depara el futuro y poder actuar en consecuencia.

En la ciencia real, la posibilidad de viajar en el tiempo y volver para contarlo tendría importantísimas y quizá dramáticas consecuencias, ya que podría violarse el principio de causalidad, un principio fundamental de la física.

“Si podemos viajar al pasado y modificarlo, por ejemplo, matando a nuestro abuelo, nunca naceríamos, lo que supondría una paradoja temporal”, ha explicado, al tiempo que ha apostillado que, si el viaje en el tiempo es posible, deben también existir mecanismos físicos que eviten esas paradojas.

Estudiar el viaje en el tiempo también permite profundizar en los problemas de la teoría de la relatividad, para comprender cómo funciona el universo y cómo se comporta el continuo espacio-tiempo.

La teoría de la relatividad revela que el viaje en el tiempo está estrechamente conectado con la luz y con el espacio, por lo que la receta para viajar en el tiempo sería simple: para viajar al futuro hay que perseguir a un rayo de luz y para viajar al pasado hay que adelantar a un rayo de luz tomando un atajo por el espacio-tiempo.

A pesar de las enormes potencialidades que esto supondría, antes de intentar siquiera emprender el viaje en el tiempo sería necesario poseer medios tecnológicos extraordinarios, que sólo una civilización ultra avanzada podría quizá llegar a conocer. EFE

 

 

La Posibilidad de Viajar en el Tiempo

 ¿Es posible viajar al futuro? ¿Y al pasado? Por asombroso que parezca la respuesta podría ser afirmativa. Una nave espacial, viajando a una velocidad próxima a la de la luz, se trasladaría al futuro y, superando a la luz por un atajo del espaciotiempo, retrocedería al pasado. Científicos de la talla de Stephen Hawking, Kurt Gödel y Kip Thorne han investigado la fascinante posibilidad científica y el funcionamiento de hipotéticas máquinas del tiempo. El viaje en el tiempo podría ser posible, si bien su realización práctica requerirá avances tecnológicos extraordinarios.

Imagen de cubierta: Representación artística de un agujero de gusano, un atajo espaciotemporal a través del cual serían posibles los viajes en el tiempo. 

El 3 de mayo de 2016 se publicó el libro La Posibilidad de Viajar en el Tiempo. Senderos cósmicos al futuro y al pasado. Es el volumen número 18 de la colección Un paseo por el Cosmos, de RBA.

El autor, José Enrique Amaro Soriano, es físico nuclear y profesor de la Universidad de Granada

El libro se ha publicado simultáneamente en España e Italia

El libro sale a la venta inicialmente sólo en kioscos, aunque también se puede adquirir por internet [comprar en internet]

 

“La Posibilidad de Vaiajar en el Tiempo” intenta brindar algunas ideas para sortear, al menos en teoría, la imparable trayectoria del tiempo. A nivel divulgativo se introducen las claves y los conceptos científicos involucrados en las modernas teorías sobre los viajes en el tiempo. Otros títulos de este libro podrían haber sido:

Máquinas del tiempo y puertas del tiempo

Cómo construir la máquina del tiempo

En búsqueda de la máquina del tiempo

La teoría de los atajos temporales

¿Son accesibles otras épocas?

Muchos ignoran que la posibilidad y las consecuencias físicas
de la existencia de máquinas del tiempo han sido investigadas
seriamente por eminentes físicos teóricos como Stephen  Hawking
y Kip Thorne.

Físico cosmólogo y experto en agujeros negros, Kip Thorne fue uno de los impulsores de los detectores LIGO de ondas gravitatorias. Kip Thorne tuvo el raro honor de publicar el primer artículo científico con las palabras “Máquina del tiempo” en el título, en la prestigiosa revista especializada Physical Review Letters, editada por la Sociedad Americana de Física.  Aquí hay un link a este artículo, que tiene actualmente 633 citas en la base de datos de física de altas energías: https://inspirehep.net/record/269623  Es un artículo técnico dirigido a especialistas de gravitación y relatividad. Pero su abstract, que he traducido al español, es ilustrativo de sus contenidos:

“Se argumenta que, si las leyes de la física permiten a una civilización avanzada crear y mantener un agujero de gusano en el espacio para el viaje interestelar, entonces ese agujero de gusano se puede convertir en una máquina del tiempo con la que podría ser violada la causalidad. El que los agujeros de gusano puedan ser creados y mantenidos implica profundos problemas mal entendidos acerca de la censura cósmica, la gravedad cuántica y la teoría cuántica de campos, incluyendo la cuestión de si la teoría de campos implica una versión promediada de la condición de energía débil.”

En definitiva, “La posibilidad de viajar en el tiempo” nos descubre los mayores desafíos en el estudio de los viajes en el tiempo, las máquinas del tiempo y las paradojas temporales. En clave de divulgación científica, el libro tiene como lector a un público interesado pero no especialista. Comienza describiendo el comportamiento del tiempo según la teoría de la relatividad y la gravitación, y cómo estas teorías posibilitarían el viaje al futuro y al pasado. Luego se da un repaso a las diversas teorías sobre máquinas
del tiempo que los físicos han planteado y estudiado en profundidad.

Reproducimos a continuación el sumario del libro:

Introducción

Capítulo 1. La relatividad del tiempo

Capítulo 2. El viaje al futuro

Capítulo 3. El viaje al pasado

Capítulo 4. Máquinas del Tiempo

Capítulo 5. Las puertas del tiempo

Lecturas recomendadas

Índice

 

También se acaba de anunciar la publicación del libro conmemorativo del festival de cine fantástico de la costa del sol, que este año está dedicado a los viajeros del tiempo.
[http://www.cinefantasticocostadelsol.com/publicaciones.html] Como se especifica en su página web, yo colaboro con un artículo LA FÍSICA DE LOS VIAJES EN EL TIEMPO, donde daré un repaso a los estudios realizados por físicos teóricos y matemáticos donde demostraron que el viaje en el tiempo podría ser posible bajo determinadas
configuraciones cósmicas.

José Enrique Amaro Soriano

 

Créditos

Dirección científica de la colección: Manuel Lozano Leyva (Catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear, Universidad de Sevilla).

(c) José Enrique Amaro Soriano por el texto

(c) RBA Contenidos Editoriales y Audiovisuales, S.A.U.

(c) 2016, RBA Coleccionables, S.A.

Realización: EDITEC

Diseño cubierta: Llorenc, Martí

Diseño interior: tactilestudio

Infografías: Joan Pejoan.

ISBN: 978-84-473-xxxx-x

Depósito legal: B-2351-2016

 

 

ALGUNOS ARTÍCULOS TÉCNICO-CIENTÍFICOS SOBRE MAQUINAS DEL TIEMPO

 

(216)

Closed timelike curves produced by pairs of moving cosmic strings: Exact solutions J.Richard Gott, III (Princeton U.). Oct 1990. 11 pp. Published in Phys.Rev.Lett. 66 (1991) 1126-1129

 

(878)

Wormholes in space-time and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity M.S. Morris, K.S. Thorne (Caltech). 1988. 18 pp. Published in Am.J.Phys. 56 (1988) 395-412

 

. (434)

The Chronology protection conjecture S.W. Hawking (Cambridge U.). Jul 1991. 24 pp. Published in Phys.Rev. D46 (1992) 603-611

 

. (629)

Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition M.S. Morris, K.S. Thorne, U. Yurtsever (Caltech). 1988. 4 pp. Published in Phys.Rev.Lett. 61 (1988) 1446-1449

 

2. (119)

Physical Effects in Wormholes and Time Machine Valeri P. Frolov (Minnesota U.), Igor D. Novikov (Moscow, Space Res. Inst.). Jan 1990. 26 pp. Published in Phys.Rev. D42 (1990) 1057-1065

 

(38)	From wormhole to time machine: Comments on Hawking’s chronology protection conjecture Matt Visser (Washington U., St. Louis). Sep 1992. 43 pp. Published in Phys.Rev. D47 (1993) 554-565

 

(37)	On the quantum stability of the time machine S.V. Krasnikov (Pulkovo Observ., St. Petersburg). Aug 1995. 12 pp. Published in Phys.Rev. D54 (1996) 7322-7327

 

(78)	Rotating cylinders and the possibility of global causality violation Frank J. Tipler (Maryland U.). Apr 15, 1974. 3 pp. Published in Phys.Rev. D9 (1974) 2203-2206

 

(120)

Singularities and Causality Violation F.J. Tipler (UC, Berkeley). 1977. 36 pp. Published in Annals Phys. 108 (1977) 1-36

 

 

 

Interacciones electrodébiles en núcleos

Interacciones electrodébiles en núcleos. Dícese de las fuerzas que actúan cuando un leptón (un neutrino o un electrón) chocan contra un núcleo. También son las responsables de la desintegración beta nuclear. Presentación en powerpoint.

La interacción de los neutrinos energéticos en los experimentos de oscilación

Investigadores de la ugr predicen la interacción de neutrinos de hasta 100 mil millones de electrón-voltios con la materia

El premio Nobel de Física de 2015 ha sido concedido a Takaaki Kajita y Arthur McDonald “por el descubrimiento de las oscilaciones de neutrinos, que demuestran que los neutrinos tienen masa” Actualmente las oscilaciones de neutrinos son uno de los campos más activos en la Física, con múltiples experimentos midiendo las probabilidades de oscilación con precisión creciente (figura 1). El propósito de estos experimentos es desvelar los secretos de las interacciones fundamentales, la estructura de la materia y el espacio, y el origen del universo.

Figura 1: Interior del detector de neutrinos Super-Kamiokande.

 

 

En el seno del grupo de física hadrónica de la UGR (Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear e Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional) se investiga desde hace años sobre la interacción de los neutrinos con los núcleos atómicos, una cuestión que es esencial para medir con precisión la oscilación de los neutrinos. Recientemente, J.E. Amaro, E. Ruiz Arriola e I. Ruiz Simo han desarrollado un modelo teórico que permite describir la interacción de neutrinos con la materia en un rango de energías que alcanza los 100 GeV   (un Giga-electrón-voltio equivale a mil millones de electrón-voltios). El artículo se publicó en noviembre de 2015  en la prestigiosa revista Physical Review C:

Scaling violation and relativistic effective mass from quasielastic electron scattering: implications for neutrino reactions (2015),

El preprint del artículo puede descargarse gratuitamente

arXiv:1505.05415.

 

 

En dicho artículo se ha calculado la probabilidad de interacción de neutrinos contra un núcleo de Carbono-12 (figura 2). Mediante una compleja reacción nuclear se emiten protones de gran energía. Las predicciones del modelo han sido comparadas con datos experimentales de los experimentos de oscilación de neutrinos MiniBooNe y NOMAD En la siguiente figura se muestra la simulación Monte Carlo de la sección eficaz cuasielástica de neutrinos, calculada en este trabajo, comparada con los datos experimentales de MiniBooNE y NOMAD.

 

Figura 2: Predicciones de la sección eficaz cuasielástica de neutrinos contra núcleos de carbono 12.

 

El Detector de neutrinos NOMAD en el CERN fue diseñado para buscar neutrinos tauónicos. NOMAD son las siglas de Neutrino Oscillation Magnetic Detector, es decir, detector magnético de oscilación de neutrinos. Su principal objetivo fue la búsqueda de oscilaciones de neutrinos muónicos en tauónicos. Se conocen tres tipos distintos de neutrinos, cada uno emparejado con un electrón, un muón o un tau, que son partículas elementales con carga negativa llamadas comúnmente leptones.

La relación entre un electrón y su neutrino se describe en el modelo standard asociando a ambas partículas dos estados cuánticos del mismo ente. El electrón y el neutrino se consideran distintos estados de la misma partícula. La interacción débil puede transformar un electrón en neutrino y viceversa. La descripción de dicha interacción es matemáticamente peculiar, pues entra en juego una propiedad de las partículas denominada espín.

Cuando un neutrino muónico penetra en la materia, es posible, aunque poco probable, que choque contra un neutrón del núcleo atómico, comunicándole carga positiva y convirtiéndolo en un protón, que sale despedido del núcleo a gran velocidad. El neutrino, por su parte, sufre otra transformación y se convierte en un muón. Cuando este evento ocurre se dice que ha tenido lugar una dispersión cuasielástica con cambio de carga.

 

 José Enrique Amaro

 

La fuerza que nos une

Hace unos días la Universidad de Granada emitió una nota de prensa anunciando nuestro trabajo de investigación sobre las fuerzas nucleares. La noticia ha suscitado un interés sin precedentes, teniendo en cuenta la impopularidad  que la física nuclear tiene en estos tiempos.  Incluso la conocida revista Muy Interesante ha resaltado la noticia:

Muy Interesante: Miden la fuerza nuclear con la mayor precisión conseguida hasta la fecha

El caso es que ciertos comentarios sobre el titular publicados en las redes sociales (twitter) han puesto  de manifiesto el desconocimiento  general y la confusión de ideas. En parte esto es debido a la profusión de blogs escritos por aficionados, que a menudo están mal informados y dan detalles erróneos, que por propagación  llegan a otros blogs  y llegan a convertirse en  “falsas verdades científicas” sin ningún fundamento, puesto que la fuente original, el autor de los textos, queda en el anonimato. En parte los científicos tenemos algo de responsabilidad, puesto que no hacemos lo suficiente para divulgar nuestros conocimientos en un lenguaje comprensible, aunque también es cierto que en las librerías se pueden encontrar numerosos y excelentes  libros de divulgación científica. Pero internet ha sustituido a los libros como fuente de información primordial e instantánea que evita perder el tiempo hojeando páginas y páginas de libros para encontra algún dato científico. Ahora los buscadores como Google se han convertido en la gran enciclopedia que reune todo el saber. Basta  realizar la pregunta e inmediatamente se obtienen ciertos de enlaces clasificados que gran seguridad contienen la respuesta a nuestra pregunta. La wikipedia también es, para muchos,  la fuente de información primordial.

Por ejemplo, ante mi sorpresa, un tweet preguntaba acerca de la noticia anunciada por  Muy Interesante: ¿qué fuerza nuclear es la que han medido, la fuerte o la débil?.  También observé que algunos noticieros de internet habían modificado el título por “miden la interacción nuclear fuerte”, algo que me pareció redundante, ya que la interacción nuclear es una manifestación de la interacción fuerte. En el texto de la noticia quedaba claro que se ha determinado  la fuerza entre protones y neutrones, y que está producida  por la interacción fuerte, que no es otra cosa que la interacción nuclear mencionada en el título. Que alguien haya querido resaltar que la interacción nuclear medida es la interacción fuerte me pareció acertado, pues aclara que esta fuerza no está relacionada con las otras    fuerzas fundamentales, como gravitatoria o electromagnética. Sin embargo una búsqueda en Google me hizo sospechar que el titular no se había modificado con ese objeto. Al realizar una búsqueda de “fuerza nuclear”  Google nos enlaza en primer lugar a la Wikipedia, donde se define el término de la siguiente forma:

Una fuerza nuclear es aquella fuerza que tiene origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos. Existen dos fuerzas nucleares, la fuerza fuerte que actúa sobre los nucleones y la fuerza débil que actúa en el interior de los mismos. 

Inmediatamente, esta información confusa me dejó claro que la modificación del titular se debió seguramente a que alguien consultó la wikipedia para descubrir  erroneamente que existen dos tipos de fuerzas nucleares y por tanto vio necesario corregir el titular añadiento “interacción fuerte”. El problema no sería tan grave si se tomara la costumbre de consultar varias fuentes, preferiblemente escritas por alguien con alguna base científica  demostrada. La wikipedia suele estar escrita por aficionados, que o bien traducen la wikipedia en inglés o consultan algún blog escrito por noséquien.

Desde hace muchos años la definición que suele encontrarse en los libros de Física Nuclear es que la fuerza nuclear es aquélla  que mantiene a los núcleos unidos y que actúa entre protones y neutrones. Por tanto, la interacción débil no se considera una fuerza nuclear, ya que es despreciable comparada con la interacción fuerte. La wikipedia en ingles da la definición correcta. Si tenéis dudas siempre es acosejable consultar la versión en inglés de la wikipedia. Es más de fiar.

Instantánea del Núcleo de Carbono

Instantánea del Núcleo de Carbono como un agregado de partículas alfa en reacciones nucleares ultrarápidas cercanas a la velocidad de la luz

 

De los 3000 núcleos atómicos conocidos, sólo una fracción son estables. La mayoría se desintegran emitiendo radiación alfa,beta y gamma. De hecho, la emisión de partículas alfa (núcleos de Helio) hizo pensar a George Gamow en 1927 que eran los constituyentes básicos del núcleo atómico, formulando de paso su teoría mecanocuántica del efecto tunel. Esto ocurrió antes de que Chadwick descubriera el neutrón en 1932, momento a partir del cual se estableció que los núcleos atómicos estan formados por protones y neutrones. Así, el núcleo de Helio esta formado por dos protones y dos neutrones, el núcleo de Carbono por 6 protones y 6 neutrones y el oxígeno por 8 protones y 8 neutrones. Sin embargo, hay una tendencia natural a que se formen agregados de partículas alfa en el seno de los núcleos, y lo más curioso es que adopten estructuras geométricas análogas a las que forman los sólidos cristalinos. Así, el núcleo de carbono tendría una estructura de triángulo equilátero y el oxígeo de icosaedro con tres y cuatro partículas alfa respectivamente ubicadas en los vértices correspondientes. Las evidencias son convincentes aunque muy indirectas y se basan en cálculos teóricos muy complejos que con ayuda de modernos supercomputadores determinan la energía de enlace y el tamaño de dichos núcleos y observan la formación de cuartetos de dos neutrones y dos protones que asemejan las partículas alfa. Por otro lado, los protones y neutrones estan formados por quarks y gluones, los constituyentes últimos conocidos de la materia.

Recientemente Wojcieh Broniowski de la Universidad Jan Kochanowski y el Institue of Nuclear Theory de Cracovia (Polonia) y Enrique Ruiz Arriola miembro del grupo de investigación HADRONICA y del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear y el Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada han sugerido un experimento para establecer de una forma directa la existencia de dichas estructuras.

La idea consiste en lanzar un núcleo pesado de Plomo u Oro contra un núcleo de Carbono con velocidades cercanas a la luz. En tales condiciones la contracción de Lorentz relativista hace que los núcleos se aplanen en la dirección del choque, haciendo que la colisión dure sobre un yoctosegundo, una cienmillonésima parte de la precisión de los relojes atómicos más precisos conocidos. La colisión a muy alta energía genera un foco de energía y materia muy caliente. La llamada bola de fuego descompone durante un instante los protones y neutrones y estaría formada por un plasma de quarks y gluones, reproduciendo en laboratorio las condiciones de la gran explosión (Big-Bang) y que tuvo lugar en los primeros instantes del Universo. Los fragmentos emitidos en todas las direcciones se enfrian hasta formar un fluido cuyas trazas pueden ser detectadas y analizadas detalladamente. Broniowski y Ruiz Arriola han estimado mediante simulación que las características de dicho fluido permiten determinar la simetría triangular que el núcleo de C12 tenía antes de la colisión. La medición en Mecánica Cuántica implica el colapso de la función de onda, un proceso que ocurre de forma instantánea debido a las altas velocidades y el cortísimo tiempo de interacción que equivale a tomar una fotografía instantánea del carbono que deja su impronta en el flujo triangular que emana de la bola de fuego.

Físicos experimentales del CERN de Ginebra estan considerando la posibilidad de realizar el experimento propuesto en el Gran Colisionador de Hadrones, Large Hadron Collider (LHC) donde las condiciones requeridas son factibles.

La verificación de las predicciones de forma experimental supondría un apoyo a las hipótesis con las que actualmente se tratan las colisiones ultrarrelativistas de núcleos mediante ecuaciones hidrodinámicas. Inversamente, muchos cálculos de estructura nuclear tradicionales de bajas energías podrían aplicarse a este tipo de reacciones. Este trabajo podría generar una actividad común entre dos comunidades científicas que hasta la fecha se han dado mutuamente la espalda.

La propuesta ha sido publicada en Physical Review Letters

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.112501

y seleccionada por los editores para Physics Synopsis

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.112.112501

Actualmente sólo una de cada 10 publicaciones es seleccionada. Ambos físicos son asiduos colaboradores desde 1999 y han escrito medio centenar de publicaciones científicas conjuntamente.

Enrique Ruiz Arriola

Catedrático de Física Atómica, Molecular y Nuclear.

 

La fuerza entre protones y neutrones ha sido determinada con gran precisión

GRANADA.- Investigadores de la Universidad de Granada  han llevado a cabo la determinación más precisa hasta ahora de la fuerza nuclear,   en un artículo publicado recientemente en la revista ‘Physical Review’ de la Sociedad de Física  estadounidense. La importancia de trabajo  ha sido resaltada por el Editor de la conocida revista, que lo ha seleccionado como artículo recomendado. La investigación, realizada íntegramente en el Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear y en el Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional,  ha exigido recopilar y analizar  más de 8000 datos experimentales de dispersión entre neutrones y protones, medidos entre 1950 y  2013 en aceleradores de partículas de todo el mundo.  Se ha propuesto además una nueva forma para la fuerza nuclear, el llamado “potencial granulado”, que ha permitido determinar además su incertidumbre estadística. El trabajo forma parte de la Tesis Doctoral de Rodrigo Navarro Pérez, bajo la dirección de los profesores Enrique Ruiz Arriola y  José Enrique Amaro Soriano.

1. Las cuatro fuerzas fundamentales en la naturaleza

La interacción fuerte es la fuerza más intensa que existe en la naturaleza. Las cuatro fuerzas fundamentales de la Física son:  la interacción gravitatoria, la interacción electromagnética, la interacción débil y la interacción fuerte. Estas cuatro fuerzas son esenciales para nuestra existencia. Si faltara alguna de ellas, el mundo no sería como lo conocemos, o incluso podríamos aventurar que no existiría.  En la vida cotidiana estamos bastante familiarizados con la primera: la gravedad es la fuerza que hace caer los cuerpos y que nos mantiene unidos a la tierra. Actúa a distancia y hace girar a la Tierra alrededor del Sol, siendo la fuerza responsable de los fenómenos a gran escala que ocurren en el universo.

La segunda fuerza fundamental es la electromagnética. También actúa a distancia, pero sólo entre cuerpos con carga eléctrica o con propiedades magnéticas, como los imanes.  No la sentimos con toda su intensidad porque la materia macroscópica es neutra. Pero muchos de los fenómenos cotidianos están causados por ella,  ya que la fuerza residual que actúa entre átomos y moléculas cuando estos se acercan es de origen electromagnético.  La materia macroscópica que conocemos: sólidos, líquidos y gases,  está cohesionada por la atracción electromagnética entre las moléculas. Todas las reacciones químicas  se producen por interacción electromagnética. También sabemos que los campos electromagnéticos intensos, que se producen por ejemplo en una descarga eléctrica, pueden ser mortales (rayos) .

La tercera fuerza es la interacción débil. Es mucho menos intensa que la electromagnética y de muy corto alcance. Por ello no tiene ninguna implicación directa sobre los fenómenos macroscópicos o atómicos. Sin embargo esta fuerza tiene una importancia fundamental para la existencia de los elementos, ya que es la responsable de la síntesis del deuterio como primer paso para la fusión del hidrógeno para producir helio en las estrellas. El deuterio contiene un protón y un neutrón y se produce en una estrella tras la fusión de dos protones según la reacción

protón +protón  —>  deuterio + positrón + neutrino

En este caso la fuerza débil es la responsable de convertir uno de los protones en un neutrón, creándose en el proceso un positrón y un neutrino. La interacción débil tiene lugar en muchos otros procesos en el interior de los núcleos atómicos. Pero es tan débil que los misteriosos neutrinos cósmicos, por ejemplo, raramente interaccionan y atraviesan la tierra.

2. La interacción fuerte

La fuerte es la interacción más intensa de las cuatro y es la que mantiene unidos los núcleos atómicos, ya que sus componentes, los protones y neutrones, se atraen. Esta fuerza es la responsable de la  fusión termonuclear que tiene lugar en el interior de las estrellas a partir de hidrógeno.  Su vital importancia es patente, ya que en el Sol la interacción fuerte produce la “combustión” del  hidrógeno, produciendo helio y toda la energía radiante que recibimos.

En la Física el conocimiento de la interacción fuerte es esencial para describir todos los procesos que tienen lugar en el interior de los núcleos. Las leyes que rigen la interacción fuerte son la base de la teoría denominada cromodinámica cuántica (QCD). Sin embargo  la QCD no permite describir fácilmente la interacción entre protones y neutrones. Esto se debe a que la QCD es una teoría fundamental de campos cuánticos, que  describe la interacción entre las partículas elementales o  quarks,  que componen los protones y neutrones (denominados nucleones).  Los nucleones no son partículas elementales, sino que poseen una complicada estructura interna a partir de tres quarks. La interacción entre dos nucleones es descrita por ecuaciones matemáticas donde se ven involucrados seis quarks y que son demasiado complejas para ser resueltas con los medios actuales.

3. A la búsqueda del potencial fuerte

Al igual que  la ley de gravitación universal y las leyes del electromagnetismo se establecieron a partir de hechos empíricos (fenómenos físicos observados en experimentos), las leyes de la interacción fuerte, más complejas,  también se han establecido a partir de datos empíricos de interacción entre protones y neutrones. Los datos empíricos más directos proceden de  los experimentos de colisiones entre nucleones en aceleradores de partículas. Cuando se hace incidir un haz de protones energéticos contra un blanco de hidrógeno, se producen choques entre protones, que se dispersan en todas direcciones. En un análogo clásico, sería como si con una manguera mandáramos un chorro de agua contra un objeto. El agua se dispersa en todas direcciones y la distribución del agua en el chorro dispersado depende de la forma del objeto y del ángulo de incidencia. Un haz de protones se comporta de forma similar, dispersándose en todas direcciones al chocar contra un núcleo de hidrógeno. Los protones dispersados se observan con detectores colocados a distintos ángulos con respecto a la dirección incidente. Esto permite determinar experimentalmente la probabilidad de que un protón con cierta energía se disperse un cierto ángulo (probabilidad de dispersión).

Por otro lado,   las ecuaciones de mecánica cuántica permiten calcular  matemáticamente la probabilidad de dispersión cuando se conoce la fuerza que actúa durante el choque.  Mediante métodos de prueba y error se puede encontrar una fórmula para la fuerza que mejor reproduce las probabilidades experimentales. Dicha fuerza encontrada (o ajustada) a partir de los datos empíricos es una interacción fenomenológica denominada “potencial fuerte” . A lo largo de los años los físicos nucleares han  ajustado múltiples interacciones fenomenológicas que describen los datos experimentales de los choques protón-protón (PP) y neutrón-protón.  Estas interacciones han ido mejorando desde 1950 hasta la actualidad, a medida que los avances en computación y nuevos experimentos más precisos iban permitiendo refinar la búsqueda del potencial fuerte.  Hasta los años 90 no se consiguieron potenciales de alta precisión, que  reproducen cada  dato con una precisión media superior al 95%, dentro de su error experimental.

4. El análisis con el potencial granulado

En el presente trabajo se ha utilizado un nuevo potencial granulado que ha permitido reproducir la base de datos actualizada hasta el año 2013 (más de 8000 datos) con una precisión media del 96%.  Esto ha requerido un minucioso análisis estadístico de los datos, y un nuevo proceso de selección,  para obtener el mayor conjunto de datos mutuamente consistentes.  El mayor impacto del trabajo reside en que no sólo se ha obtenido el potencial nuclear, sino  su error estadístico teórico. Esto permite establecer límites en la precisión con que se puede conocer empíricamente la interacción fuerte, ya que los datos experimentales están sujetos a un error.  Estos errores imponen límites a la precisión  con la que las teorías físicas actuales pueden  describir los núcleos atómicos.

 

5- Aplicaciones.

El nuevo potencial granulado facilitará el estudio de las propiedades de la interacción fuerte, como la independencia de carga de las furzas nucleares, o la validez de las modernas teorías quirales. Además se puede utilizar para calcular teóricamente las propiedades de  los núcleos atómicos, como su energía interna, permitiendo conocer además el error teórico intrínseco, debido al desconocimiento parcial de la interacción fuerte, lo que hasta ahora era una incógnita.

 

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Artículo de Hadrónica seleccionado por el editor de Physical Review C

Un artículo del grupo Hadronica ha sido seleccionado por el editor en el último número de la revista científica Physical Review C.

Un reducido número de artículos son recomendados en cada número de la revista por su especial interés. Los artículos recomendados aparecen en un lugar privilegiado en el índice online y se marcan con un icono especial que también aparece en las búsquedas online.

El artículo seleccionado está firmado por Rodrigo Navarro Pérez, José Enrique Amaro y Enrique Ruiz Arriola, investigadores de la Universidad de Granada. LLeva por título Análisis con un potencial granulado de la dispersión neutrón-protón y protón-protón debajo del umbral de producción de piones. Forma parte del proyecto de investigacion HADRONICA, que se desarrolla en el Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear y en el Instituto Carlos I de Física teórica

El interés del trabajo radica en que contiene una nueva determinación de la interacción entre protones y neutrones, denominados genéricamente nucleones . Dicha interacción nuclear es una representación de la interacción fuerte que mantiene unidas las partículas que forman los núcleos atómicos y, por tanto,  es la responsable de la estabilidad de la materia. El artículo contiene una descripción detallada de la teoría utilizada para describir las propiedades observadas en los experimentos de interacción entre nucleones que se han llevado a cabo a lo largo de varias décadas en los laboratorios de física nuclear. El estudio ha requerido  recopilar y realizar un exhaustivo análisis de cerca de 8000 datos experimentales medidos  entre los años 1950 y 2013.

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La interacción de los neutrinos energéticos

Un modelo teórico permite describir la interacción de neutrinos y antineutrinos con la materia en un rango de energías que alcanza los 100 GeV.

Una colaboración de científicos de la Universidad de Turín con  la Universidad Sevilla , el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y el grupo HADRONICA de la Universidad de Granada

Un Giga-electrón-voltio equivale a mil millones de electrón-voltios. Un electrón-voltio (eV) es la energía que adquiere un electrón acelerado por un potencial eléctrico de un Voltio.

Los resultados de la investigación han  sido publicados en agosto de 2013 en la revista Physics Letters B.  El artículo original puede descargarse de la base de datos INSPIRE de Física de Altas Energías

Las predicciones del modelo han sido comparadas con datos experimentales de los experimentos de oscilación de neutrinos MiniBooNe y NOMAD.

El Detector de neutrinos NOMAD en el CERN fue diseñado para buscar neutrinos tauónicos.  NOMAD son las siglas de Neutrino Oscillation MAgnetic Detector, es decir, detector magnético de oscilación de neutrinos. Su principal objetivo fue la búsqueda de oscilaciones de neutrinos muónicos en tauónicos. Se conocen tres tipos distintos de neutrinos, cada uno emparejado con un electrón, un muón o un tau, que son partículas elementales con carga negativa llamadas comúnmente leptones.

La relación entre un electrón y su neutrino correspondiente se describe en el modelo standard asociando a ambas partículas dos estados cuánticos del mismo ente. En pocas palabras, el electrón y el neutrino se consideran distintos estados de la misma partícula, el leptón. La interacción débil es la fuerza que puede transformar un electrón en neutrino y viceversa. La descripción  de dicha interacción débil es algo complicada matemáticamente, pues entra en juego una propiedad de las partículas denominada espín, que explicaremos en otro post.

Cuando un neutrino muónico  penetra en la materia, es posible, aunque muy poco probable, que choque contra un neutrón del núcleo atómico, comunicándole carga positiva y convirtiéndolo en un protón, que sale despedido del núcleo  a gran velocidad. El neutrino, por su parte, sufre otra transformación y se convierte en un muón.  Esquemáticamente:

neutrino + neutrón —> muón + protón

Cuando este evento ocurre se dice que ha tenido lugar una dispersión cuasielástica con cambio de carga,  abreviada con las siglas CCQE.

En el presente trabajo se ha calculado la probabilidad de dicha interacción CCQE de neutrinos contra un núcleo de Carbono-12.  En tal caso se produce una compleja reacción nuclear que se ha descrito matemáticamente utilizando  un modelo que incluye por necesidad ingredientes de la teoría de la relatividad, pues las velocidades de todas las partículas involucradas son próximas a la velocidad de la luz.