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Logran medir con precisión la capa de neutrones exterior del núcleo del átomo de plomo.

Uno de los objetos astronómicos más interesantes es la estrella de neutrones. Se supone que aparecen al poco de darse la explosión de supernova, cuando el núcleo estelar se ve empujado por su propia gravedad a colapsar sobre sí mismo y cuando los electrones se fusionan con los protones para dar lugar a neutrones. Lo que impide que colapse aún más y se transforme en un agujero negro es el principio de exclusión de Pauli entre los neutrones, que son fermiones.

Sin embargo, no se conoce muy bien cómo se organiza la materia en las estrellas de neutrones. No tenemos su ecuación de estado. Eso sí, aunque un núcleo atómico es varias veces menos denso que una estrella de neutrones; como, básicamente, una estrella de neutrones tiene una densidad del mismo orden que la de un núcleo atómico; ambos tienen, por tanto, que compartir algunas de sus propiedades.

Por consiguiente, a falta de datos directos de estrellas de neutrones, una manera de saber más sobre este tipo de objetos es estudiar bien cómo se organizan los nucleones en los núcleos de alto número atómico.

Esto es lo que hacen en el Acelerador Nacional Thomas Jefferson en EEUU. Se hace rebotar (dispersar) abundantes electrones sobre núcleos de plomo-208, que es el isótopo más común del plomo y que tiene 82 protones y 126 neutrones. Los electrones cargados negativamente que indicen interactúan con los protones cargados positivamente del núcleo a estudiar principalmente a través de la fuerza electromagnética, que desvía los electrones, pero hay otras interacciones.

Como todos ya sabemos, el núcleo de un átomo consta de protones y neutrones unidos por la llamada fuerza nuclear fuerte. Los neutrones generalmente superan en número a los protones y funcionan a la manera de pegamento que impide que la repulsión electromagnética entre protones actúe en exceso y disgregue el núcleo, pues tienen la misma carga.

Sin embargo, no puede haber cualquier número de neutrones para un número atómico dado. Demasiados pocos y el núcleo no se mantiene cohesionado y se desintegra. Si hay demasiados entonces el núcleo es inestable y se estabiliza emitiendo partículas o dividiéndose en dos (fisión). Pero casi nunca hay mitad y mitad, suele haber un gran desequilibrio en el número de protones y neutrones que aumentan la energía interna del núcleo y pueden volverlo inestable.

La teoría generalmente más aceptada predice que un núcleo grande consiste en una mezcla casi igual de protones y neutrones rodeados por una piel de neutrones puros. Pero el grosor de esta piel no se conocía muy bien. Pese a que había cálculos teóricos, las medidas tenían una incertidumbre elevada y no permitían confirmar esos cálculos.

Es el grosor de esa piel lo que precisamente ahora han podido medir con precisión en el Experimento de radio de plomo PREX del Acelerador Nacional Thomas Jefferson a través de tal dispersión electromagnética antes descrita.

Para sondear los neutrones, los físicos de PREX aprovecharon el hecho de que los electrones pueden interactuar tanto con los protones como con los neutrones a través de la fuerza nuclear débil. Y esta fuerza depende del electrón de su spin, de tal modo que parece girar hacia la derecha o hacia la izquierda. Esa característica permitió a los investigadores de PREX detectar la influencia de la fuerza débil en su montaje.

Los investigadores dispararon haces de electrones, «girando» en un sentido dado, a núcleos de plomo y fueron midiendo la probabilidad de que fueran desviados en un ángulo particular. Luego, voltearon electrones para que «giraran» en la dirección opuesta y buscaron una diferencia de una parte en 1 millón en la corriente de electrones desviados. Esa pequeña asimetría señalaría el efecto de la fuerza débil y su intensidad revelaría la distribución espacial de los neutrones.

Este grupo de investigadores realizó 240 ciclos por segundo, asegurándose de que no cambiara la energía, la intensidad o la trayectoria del haz de electrones incidentes.

La asimetría observada implica que el núcleo de plomo tiene una piel de neutrones de 0,28 fermi de espesor, con un error de 0,07 fermi. Recordemos que un fermi es una cienmilésima parte de 1 nanómetro (1 fermi=10^-15m). Los nuevos datos reducen la incertidumbre a la mitad. Este hallazgo ha pillado por sorpresa a los físicos del campo por inesperado.

En experimentos similares previos realizados por otros grupos de investigación se había medido la distribución de protones en el núcleo de plomo-208 y encontraron que se extiende hasta un radio de 5,50 fermi.

El hallazgo sugiere que la capa de neutrones del plomo-208 es aproximadamente dos veces más gruesa de lo que los teóricos habían predicho y había sido indicado en otros experimentos menos directos. Esto es algo de lo que se había hablado durante años y ahora está obligando a todos a comenzar a reanalizar sus presunciones e hipótesis previas en las que basaban sus cálculos.

Algunas de esas suposiciones o consecuencias están relacionadas con la naturaleza de las estrellas de neutrones. En particular, una piel de neutrones más gruesa implica que las estrellas de neutrones son menos comprimibles de lo que predicen la teoría, lo que las haría más grandes.

De hecho, en otro artículo publicado recientemente en Physical Review Letters se calcula, basándose en el resultado de PREX, esto mismo. Llegan a la conclusión de que una estrella de neutrones común y corriente, con una masa de 1,4 veces la del Sol, tiene un radio de entre 13,25 y 14,25 kilómetros. La mayoría de las teorías arrojan estimaciones cercanas a los 10 kilómetros.

Este tamaño es compatible con lo que ha medido Cole Miller (Universidad de Maryland) y sus colaboradores con el telescopio NICER de rayos X de la NASA que está instalado en la Estación Espacial Internacional. En este caso usan el espectro de radiación de una estrella de neutrones en rotación para deducir su tamaño. Han medido la radiación de dos estrellas de neutrones con masas de 1,4 y 2,1 veces la del Sol y han descubierto que ambas tienen un radio de aproximadamente 13 kilómetros.

Por otro lado, se puede extraer este tipo de información a partir de las ondas gravitacionales emitidas en el caso de colisión entre este tipo de objetos. Pero sólo se conoce un caso de colisión entre dos estrellas de neutrones: el de 2017 que se detectó por la colaboración LIGO-Virgo. Si las estrellas de neutrones fueran relativamente grandes y rígidas, entonces antes de la fusión deberían de haber comenzado a deformarse entre sí por culpa de las fuerzas de marea causadas por la gravedad. Pero los investigadores de LIGO y Virgo no encontraron pruebas de tal deformación de marea en su señal. Obviamente es demasiado pronto para llegar a conclusiones.

El resultado de PREX probablemente estimulará a los físicos nucleares y astrofísicos a reexaminar las relaciones teóricas entre la física nuclear y las estrellas de neutrones.

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Fuentes y referencias:
Artículo original.
Preprint en ArXiv.
Foto: Jefferson National Accelerator Facility.