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.
Fuente: Ciencia Kanija - physicsworld.com
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