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Cuando la forma rompe la simetría

Un trabajo halla una inesperada diferencia en la estructura de dos núcleos atómicos que deberían ser casi idénticos. El resultado no concuerda con los modelos vigentes de física nuclear.

ESPEJO ROTO: Una simetría clave en física nuclear y física de partículas predice que ciertos núcleos atómicos con distinto número de protones y neutrones deberían tener la misma forma. Un experimento reciente ha hallado una sorprendente violación de dicho fenómeno. [GETTY IMAGES/KLYAKSUN/ISTOCK/INVESTIGACIÓN Y CIENCIA]

El núcleo atómico, tal y como lo entendemos hoy, puede considerarse un interesante laboratorio natural. Es un sistema donde se manifiestan tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y, al tener un número variable de constituyentes, ofrece una oportunidad única para estudiar las relaciones entre ellas. De hecho, las consecuencias de estudiar el núcleo atómico van más allá de entender mejor este sistema concreto. Un ejemplo lo hallamos en la llamada «simetría de isospín», un concepto introducido originalmente en física nuclear pero que luego demostraría ser de gran utilidad en otros campos de la física.

Esta idea clave se remonta a 1932, año que los historiadores de la ciencia consideran el annus mirabilis de la física nuclear. Fue cuando James Chadwick descubrió el neutrón, y también cuando Werner Heisenberg propuso una idea revolucionaria: que el protón y el neutrón podían entenderse como dos estados cuánticos de una misma partícula, el nucleón.

Por extraña que pueda parecer, esta idea puede comprenderse con facilidad si consideramos el espín ordinario. En el caso de un electrón, su espín puede tomar dos valores (+1/2 y –1/2), los cuales indican sendos estados de su momento angular intrínseco. Por tanto, el espín ordinario nos permite distinguir entre dos estados físicamente diferenciados del electrón. De manera análoga, Heisenberg propuso asociar al nucleón un «isospín», T, el cual podía tomar también dos valores: T = +1/2 correspondería al estado que identificamos como neutrón, mientras que T = –1/2 correspondería al protón. La idea unificaba de manera natural las propiedades de estas partículas y, entre otras cosas, explicaba por qué ambas parecían tener la misma masa.

La simetría de isospín ha sido durante décadas una guía fundamental para entender el comportamiento de los núcleos atómicos y la dinámica de la interacción nuclear fuerte. Sin embargo, en un trabajo reciente publicado en Physical Review Letters, los autores de este artículo y otros colaboradores hemos observado una violación inesperada de esta simetría. En concreto, dos núcleos que deberían tener la misma forma atendiendo al isospín han resultado ser marcadamente distintos. El hallazgo choca con los modelos actuales de la física nuclear y señala la necesidad de entender mejor aquellos núcleos que contienen un número similar de protones y neutrones.

Una simetría fértil

Las fuerzas nucleares dictan la manera en que protones y neutrones interaccionan entre sí en el núcleo atómico. Ya en el trabajo original de Heisenberg puede intuirse que la interacción nuclear no «ve» si la partícula sobre la que actúa posee carga eléctrica o no; es decir, si se trata de un protón o de un neutrón. Sin embargo, no fue hasta unos años más tarde, en 1937, cuando Eugene Wigner propuso explotar esta suposición al máximo y postuló que la formulación matemática del núcleo atómico debía ser invariante bajo «rotaciones de isospín»; es decir, bajo transformaciones que convirtiesen un protón en un neutrón, y viceversa.

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