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Nuclear Clustering: posible responsable de la creación de materia en el Universo

Luciana de la Fuente
30/oct/2018

Como parte de la celebración del 80 aniversario del Instituto de Física, Martin Freer, físico nuclear británico y director del Birmingham Energy Institute, así como del Birmingham Centre for nuclear Education and Research, ambos en Inglaterra, fue invitado a participar en el coloquio del IFUNAM del pasado 12 de septiembre.

Freer se especializa en la física nuclear y es considerado internacionalmente como uno de los más destacados en el estudio de clustering (cúmulos de núcleos).

En 2004, Freer recibió el premio Friedrich Wilhelm Bessel por parte de la organización alemana Humboldt Foundation y en 2010 la medalla Rutherford por parte del Institute of Physics (IoP), cuya sede central se encuentra en Londres. Ambos reconocimientos se debieron a su importante contribución dentro del campo de estudio de los llamados cúmulos de núcleos.

Asimismo, el físico británico ha colaborado con la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en el experimento ATLAS (Argonne Tandem Linac Accelerator System), el primer acelerador lineal superconductor del mundo para iones pesados.


Martin Freer en el IFUNAM. Foto: Pedro Zaldívar.

Estado de Hoyle

“El reto de la física nuclear es entender el principio de las cosas desde su origen, así como entender la fuerza de interacción que une a los núcleos entre sí”, afirmó Martin Freer en su charla titulada “Connecting Nuclear Structure to the Strong Interaction”.

Esta fuerza de interacción resulta tan natural como la vida misma, e incluso, da las bases para la caótica explicación de la existencia de planetas y estrellas en el Universo, es decir, el producto del Big Bang.

El físico mencionó que dicha explicación se reduce a un nivel subatómico, pero más importante, a la agrupación de partículas sub-nucleares, lo que se conoce como: nuclear clustering. Este término puede traducirse como cúmulo de núcleos y se refiere a un estado nuclear en el que los componentes de un núcleo se agrupan para posteriormente desintegrarse o fusionarse en otros cúmulos.


Martin Freer en el IFUNAM. Foto: Pedro Zaldívar.

Los estados de clustering fueron propuestos por primera vez a mediados del siglo XX por el astrónomo británico Fred Hoyle, mismo que después acuñó el término “Hoyle state” para denominar al cúmulo del carbono-12 (12C). Este cluster es de los más estudiados y cuestionados debido a que su propio autor propuso que gracias a la formación del 12C fue posible la creación de demás elementos, como oxígeno, nitrógeno, hidrógeno, entre otros; éstos, fueron imprescindibles para la existencia de vida.

Hoyle afirmó que la progresión de la nucleosíntesis, que es la producción continua de cúmulos de núcleos, no se explicaría si no se diera el agrupamiento simultáneo de tres partículas alfa y 8Be+alfa. Con la contribución de este proceso, se permite la existencia en abundancia de otros elementos más pesados (carbono, nitrógeno, oxígeno, etcétera).

Esto quiere decir que a partir de la creación del carbono-12, eventualmente, fue posible la creación de materia en el Universo, como estrellas y polvo cósmico.


Martin Freer en el IFUNAM. Foto: Pedro Zaldívar.

Consecuencias de los cúmulos de núcleos

El tema central del coloquio de Martin Freer fue exponer la importancia de los cúmulos de núcleos, así como los resultados que tuvieron sus interacciones subatómicas, como el proceso triple alfa propuesto por Hoyle; la reacción que permitió la creación en abundancia del carbono-12.

“Si el 12C no hubiera aparecido en las estrellas, éstas no hubieran lanzado polvo cósmico para formar planetas en el espacio”, afirma el experto en física. El carbono es un componente orgánico del cual estamos compuestos no sólo los seres vivos, sino también la materia que compone a nuestro planeta.

Freer explicó que para que el carbono-12 se forme en las estrellas deben ocurrir dos procesos: el primero, involucra la formación del Be-8, mismo que sólo tiene 〖10〗^(-16) s de vida, por lo que dentro de ese imperceptible lapso de tiempo el berilio8 debe unirse a otra partícula alfa para que, posteriormente, y a través de la emisión de rayos gamma, se forme el cúmulo que da vida al 12C.

Este fenómeno entre cúmulos de partículas alfa resulta más interesante al tomar en cuenta que se forman gracias a que la naturaleza de la física nuclear les brinda una dirección privilegiada, esto quiere decir que, en vez de tomar cualquier ruta para llegar a las partículas sub-nucleares, existe una ruta especial para que los cúmulos de núcleos se formen.

La estructura del 12C sigue siendo una de las cuestiones más relevantes en la física nuclear ya que, según Martin Freer, es la única razón de que el Universo haya tomado forma y de que haya vida en el planeta Tierra. Sin embargo, lo que Freer resaltó, más que la estructura del 12C en sí, fue esta dirección privilegiada que permitió que la desintegración del cúmulo se haya dado de una manera específica, provocando así, tras miles de años, la existencia de vida y materia.

La dirección privilegiada es la manifestación de la naturaleza dentro de este proceso, pues más que tener una explicación como tal, simplemente es algo peculiar que sucede y con una ventaja sobre demás direcciones. Por otro lado, los sistemas subatómicos funcionan también de una manera natural en esencia.

“En el nivel más humano, muchos sistemas biológicos han desarrollado estrategias que reconocen que alguna organización en un comportamiento colectivo ofrece alguna ventaja evolutiva”, menciona Freer en su artículo sobre el tema. Como analogía, el físico nuclear relaciona la manera en que una manada de depredadores se une para potencializar el éxito de su cacería con la manera en que se unen los núcleos, donde éstos reconocen la importancia del orden y la simetría.

Los ingredientes necesarios para la formación de cúmulos de núcleos se encuentran en la simetría del oscilador armónico deformado. Posteriormente, la realización de la estructura molecular finaliza cuando se permite que el potencial refleje la simetría del grupo subyacente.


El oscilador armónico deformado (izquierda) y cuando el potencial refleja la simetría del grupo adyacente (derecha). Imágen: Martin Freer.

Para dar una idea más general sobre este punto, Martin Freer usó como ejemplo una obra del artista europeo Escher, con la cual, expuso que la simetría es perfectamente imperfecta, al igual que la simetría que gobierna a los cúmulos. De igual manera, realizó un modelo en forma de triángulo hecho con tres manzanas unidas por tenedores para representar la forma del 12C, así como exponer físicamente la simetría que lo rige.


Martin Freer en el IFUNAM explicando la simetría que gobierna a los cúmulos, utilizando manzanas. Foto: Pedro Zaldívar.

Así que, el comportamiento colectivo, el orden, el caos y la simetría son fenómenos que podemos encontrar en la naturaleza desde tiempos inmemorables. Además, quizás sean, en conjunto, la razón a la que le debamos nuestra existencia en el planeta Tierra, ya que debieron suceder incluso antes que la vida misma, en niveles subatómicos y agrupaciones de núcleos, es decir, en la formación de cúmulos: nuclear clustering.