Nadie sabe realmente qué sucede dentro de un átomo. Pero dos grupos de científicos en competencia creen que lo han descubierto. Y ambos corren para demostrar que su propia visión es correcta.
Esto es lo que sabemos con certeza: los electrones zumban alrededor de los "orbitales" en la capa externa de un átomo. Luego hay un montón de espacio vacío. Y luego, justo en el centro de ese espacio, hay un pequeño núcleo: un denso nudo de protones y neutrones que le dan al átomo la mayor parte de su masa. Esos protones y neutrones se agrupan, unidos por lo que se llama la fuerza fuerte. Y los números de esos protones y neutrones determinan si el átomo es hierro u oxígeno o xenón, y si es radiactivo o estable.
Aún así, nadie sabe cómo se comportan esos protones y neutrones (juntos conocidos como nucleones) dentro de un átomo. Fuera de un átomo, los protones y los neutrones tienen tamaños y formas definidas. Cada uno de ellos está formado por tres partículas más pequeñas llamadas quarks, y las interacciones entre esos quarks son tan intensas que ninguna fuerza externa debería ser capaz de deformarlas, ni siquiera las poderosas fuerzas entre partículas en un núcleo. Pero durante décadas, los investigadores han sabido que la teoría está de alguna manera equivocada. Los experimentos han demostrado que, dentro de un núcleo, los protones y los neutrones parecen mucho más grandes de lo que deberían ser. Los físicos han desarrollado dos teorías competitivas que intentan explicar ese extraño desajuste, y los defensores de cada uno están bastante seguros de que el otro es incorrecto. Sin embargo, ambos campos están de acuerdo en que, sea cual sea la respuesta correcta, debe provenir de un campo más allá del suyo.
Desde al menos la década de 1940, los físicos han sabido que los nucleones se mueven en pequeños y estrechos orbitales dentro del núcleo, dijo a Live Science Gerald Miller, físico nuclear de la Universidad de Washington. Los nucleones, confinados en sus movimientos, tienen muy poca energía. No rebotan mucho, restringidos por la fuerza fuerte.
En 1983, los físicos de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) notaron algo extraño: haces de electrones rebotaban en el hierro de una manera muy diferente de cómo rebotaban en los protones libres, dijo Miller. Eso fue inesperado; Si los protones dentro del hidrógeno fueran del mismo tamaño que los protones dentro del hierro, los electrones deberían haber rebotado de la misma manera.
Al principio, los investigadores no sabían lo que estaban mirando.
Pero con el tiempo, los científicos llegaron a creer que era un problema de tamaño. Por alguna razón, los protones y los neutrones dentro de los núcleos pesados actúan como si fueran mucho más grandes que cuando están fuera de los núcleos. Los investigadores llaman a este fenómeno el efecto EMC, después de la European Muon Collaboration, el grupo que lo descubrió accidentalmente. Viola las teorías existentes de la física nuclear.
O Hen, un físico nuclear del MIT, tiene una idea que podría explicar lo que está sucediendo.
Mientras que los quarks, las partículas subatómicas que forman los nucleones, interactúan fuertemente dentro de un determinado protón o neutrón, los quarks en diferentes protones y neutrones no pueden interactuar mucho entre sí, dijo. La fuerza fuerte dentro de un nucleón es tan fuerte que eclipsa la fuerza fuerte que sujeta los nucleones a otros nucleones.
"Imagínese sentado en su habitación hablando con dos de sus amigos con las ventanas cerradas", dijo Hen.
El trío en la habitación son tres quarks dentro de un neutrón o protón.
"Una ligera brisa sopla afuera", dijo.
Esa brisa ligera es la fuerza que mantiene el protón o neutrón a los nucleones cercanos que están "fuera" de la ventana. Incluso si se deslizara un poco por la ventana cerrada, dijo Hen, apenas te afectaría.
Y mientras los nucleones permanezcan en sus orbitales, ese es el caso. Sin embargo, dijo, los experimentos recientes han demostrado que en cualquier momento dado, aproximadamente el 20% de los nucleones en un núcleo están de hecho fuera de sus orbitales. En cambio, están emparejados con otros nucleones, interactuando en "correlaciones de corto alcance". En esas circunstancias, las interacciones entre los nucleones tienen mucha más energía de lo habitual, dijo. Esto se debe a que los quarks atraviesan las paredes de sus nucleones individuales y comienzan a interactuar directamente, y esas interacciones quark-quark son mucho más poderosas que las interacciones nucleón-nucleón.
Estas interacciones rompen las paredes que separan los quarks dentro de los protones o neutrones individuales, dijo Hen. Los quarks que forman un protón y los quarks que forman otro protón comienzan a ocupar el mismo espacio. Esto hace que los protones (o neutrones, según sea el caso) se estiren y se desdibujen, dijo Hen. Crecen mucho, aunque por períodos muy cortos de tiempo. Eso sesga el tamaño promedio de toda la cohorte en el núcleo, produciendo el efecto EMC.
La mayoría de los físicos ahora aceptan esta interpretación del efecto EMC, dijo Hen. Y Miller, que trabajó con Hen en algunas de las investigaciones clave, estuvo de acuerdo.
Pero no todos piensan que el grupo de Hen resolvió el problema. Ian Cloët, físico nuclear del Laboratorio Nacional Argonne en Illinois, dijo que cree que el trabajo de Hen saca conclusiones de que los datos no son totalmente compatibles.
"Creo que el efecto EMC aún no se ha resuelto", dijo Cloët a Live Science. Esto se debe a que el modelo básico de física nuclear ya explica gran parte del emparejamiento de corto alcance que Hen describe. Sin embargo, "si usa ese modelo para tratar de observar el efecto EMC, no describirá el efecto EMC. No hay una explicación exitosa del efecto EMC usando ese marco. Entonces, en mi opinión, todavía hay un misterio".
Hen y sus colaboradores están haciendo un trabajo experimental que es "valiente" y "muy buena ciencia", dijo. Pero no resuelve completamente el problema del núcleo atómico.
"Lo que está claro es que el modelo tradicional de física nuclear ... no puede explicar este efecto EMC", dijo. "Ahora creemos que la explicación debe provenir del propio QCD".
QCD significa cromodinámica cuántica, el sistema de reglas que gobierna el comportamiento de los quarks. Cambiar de física nuclear a QCD es un poco como mirar la misma imagen dos veces: una en un teléfono plegable de primera generación, eso es física nuclear, y luego otra vez en un televisor de alta resolución, eso es cromodinámica cuántica. El televisor de alta resolución ofrece muchos más detalles, pero es mucho más complicado de construir.
El problema es que las ecuaciones QCD completas que describen todos los quarks en un núcleo son demasiado difíciles de resolver, dijeron Cloët y Hen. Cloët estimó que las supercomputadoras modernas están a unos 100 años de ser lo suficientemente rápidas para la tarea. E incluso si las supercomputadoras fueran lo suficientemente rápidas hoy en día, las ecuaciones no han avanzado hasta el punto de poder conectarlas a una computadora, dijo.
Aún así, dijo, es posible trabajar con QCD para responder algunas preguntas. Y en este momento, dijo, esas respuestas ofrecen una explicación diferente para el efecto EMC: la teoría del campo medio nuclear.
No está de acuerdo con que el 20% de los nucleones en un núcleo estén unidos en correlaciones de corto alcance. Los experimentos simplemente no prueban eso, dijo. Y hay problemas teóricos con la idea.
Eso sugiere que necesitamos un modelo diferente, dijo.
"La imagen que tengo es que sabemos que dentro de un núcleo están estas fuerzas nucleares muy fuertes", dijo Cloët. Estos son "un poco como los campos electromagnéticos, excepto que son fuertes campos de fuerza".
Los campos operan a distancias tan pequeñas que tienen una magnitud insignificante fuera del núcleo, pero son poderosos dentro de él.
En el modelo de Cloët, estos campos de fuerza, que él llama "campos medios" (por la fuerza combinada que llevan) en realidad deforman la estructura interna de protones, neutrones y piones (un tipo de partícula fuerte portadora de fuerza).
"Al igual que si tomas un átomo y lo colocas dentro de un campo magnético fuerte, cambiarás la estructura interna de ese átomo", dijo Cloët.
En otras palabras, los teóricos del campo malo piensan que la habitación cerrada que Hen describió tiene agujeros en sus paredes, y el viento sopla para golpear a los quarks y estirarlos.
Cloët reconoció que es posible que las correlaciones de corto alcance probablemente expliquen una parte del efecto de EMC, y Hen dijo que los campos medios también juegan un papel importante.
"La pregunta es, cuál domina", dijo Cloët.
Miller, quien también ha trabajado extensamente con Cloët, dijo que el campo medio tiene la ventaja de estar más fundamentado en teoría. Pero Cloët aún no ha hecho todos los cálculos necesarios, dijo.
Y en este momento, el peso de la evidencia experimental sugiere que Hen tiene el mejor argumento.
Hen y Cloët dijeron que los resultados de los experimentos en los próximos años podrían resolver la cuestión. Hen citó un experimento en curso en el Jefferson National Accelerator Facility en Virginia que acercará los nucleones, poco a poco, y permitirá a los investigadores verlos cambiar. Cloët dijo que quiere ver un "experimento de EMC polarizado" que rompería el efecto basado en el giro (un rasgo cuántico) de los protones involucrados. Podría revelar detalles invisibles del efecto que podrían ayudar a los cálculos, dijo.
Los tres investigadores enfatizaron que el debate es amistoso.
"Es genial, porque significa que todavía estamos progresando", dijo Miller. "Eventualmente, algo estará en el libro de texto y el juego de pelota habrá terminado ... El hecho de que haya dos ideas en competencia significa que es emocionante y vibrante. Y ahora finalmente tenemos las herramientas experimentales para resolver estos problemas".
