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La investigadora Libertad Barrón Palos y sus estudiantes Marissa Maldonado Velázquez y Andrés Ramírez Morales encontraron que el acoplamiento entre mesones Pi (π) y nucleones en la interacción nuclear débil no es tan grande como se pensaba.

Ellos son los únicos representantes de México en el grupo NPDGamma, una colaboración internacional en la que participan 28 instituciones y laboratorios de nueve países (Japón, Canadá, Alemania, Suiza, Rumania, México, Estados Unidos, India y Rusia), que se dedica a estudiar la interacción débil entre neutrones y protones.

NPDGamma es el acrónimo de \vec{n}+p \rightarrow d+\gamma. Imagen: Physical Review Letters.

Como parte de los trabajos del grupo, los académicos del Instituto de Física realizaron el estudio titulado “Primera observación de la asimetría γ de paridad impar en la captura de neutrones polarizados en hidrógeno”, trabajo que recibió la distinción “Editor’s Suggestion” de la revista Physical Review Letters.

Esta revista especializada otorga dicho nombramiento a los artículos cuyo interés es “potencial en los resultados presentados y en el éxito del documento en la comunicación de su mensaje, en particular a los lectores de otros campos”, afirma la publicación en su página web.

Desde que se formuló la teoría de la fuerza nuclear débil en 1930 se creía que el momento de acoplamiento entre mesones Pi (π) y el nucleón era el más significativo en la interacción nuclear débil, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, pero lo que observó Barrón y su equipo es una alta probabilidad de que no sea tan relevante.

“Este experimento es para mí muy importante porque fue la primera colaboración de física fundamental con neutrones en la que trabajé, también ha sido un reto muy grande por el tiempo que tomó hacer esta observación, no solo por la calidad en la precisión de las mediciones sino por los cuidados que requiere el experimento, el ensamblado de máquinas, el manejo de los elementos y análisis de datos”, explicó la investigadora a Noticias IFUNAM.

La participación de Libertad Barrón en NPDGamma comenzó en 2006, en Los Álamos National Laboratory, Estados Unidos, con el objetivo de medir las interacciones nucleares débiles que ocurren en el momento de acoplamiento del nucleón-nucleón, fenómeno que ocurre en la captura de neutrones por protones para posteriormente formar deuterio, un isótopo del hidrógeno.

De acuerdo con la investigadora, actualmente hay otros experimentos en curso que continúan midiendo la fuerza nuclear débil, ya que hay diversos momentos de acoplamiento que no pueden ser calculados y requieren ser determinados en experimentos; cada experimentación se centra en uno de estos momentos para entender el fenómeno.

Debilidades que son muy fuertes

Se sabe que la interacción fuerte juega un papel muy importante en los nucleos atómicos de los elementos porque hace que los quarks que los componen se liguen unos con otros para formar ciertos hadrones como: protones, neutrones y mesones Ro (ρ), Pi (π) u Omega (Ω).

Se cree que en esa formación de hadrones la interacción nuclear débil también tiene relevancia pues afecta la unión de los quarks generada por la fuerza fuerte. Sin embargo, aún no está claro su papel a nivel hadrónico.

De acuerdo con Libertad Barrón, aunque se le llama ‘débil’ es una fuerza mucho más intensa que la fuerza de gravedad y sin ella no sería posible la formación de los elementos que se generan, por ejemplo, en la fisión nuclear dentro del Sol.

La interacción nuclear fuerte (arriba) y la fuerza débil (abajo).Imagen: Physical Review Letters.

Cuando el núcleo de un elemento está inestable, puede ocurrir un cambio en su composición, transformando un neutrón a un protón a través de la emisión un electrón y un antineutrino (decaimiento β-), o viceversa, mutando un protón a un neutrón por medio de un positrón y un neutrino (decaimiento β+).

Durante este proceso, ocurre una emisión natural de bosones W y Z, los cuales cambian el sabor de los quarks Up y Down, alterando la composición de los protones (hechos de dos quarks Up y un Down) y de los neutrones (un quark Up y dos Down), completando así el decaimiento.

A pesar de que se sabe cómo ocurre esta interacción débil entre quarks, aún “no se entiende bien todavía su manifestación entre hadrones”, afirma la investigadora. “Se sabe que la interacción está mediada por los bosones W y Z, pero son muy pesados, su alcance es inversamente proporcional a su masa, por eso es de muy corto alcance la interacción”.

Durante muchos años, explicó Libertad, se creyó que la interacción está dominada por el intercambio de mesones Pi, pues estos son los más ligeros y con mayor alcance, pero “creemos que este parámetro podría no ser tan relevante como se creía”.

La colaboración: paso a paso, partícula por partícula

El experimento realizado por el grupo de investigación se centró en aislar el acoplamiento que ocurre entre mesones (compuestos por pares quark-antiquark en lugar de 3 quarks) y nucleones en los laboratorios de Oak Ridge, Estados Unidos, por la Colaboración NPDGamma, en la que participan investigadores de nueve países, siendo México el único de América Latina.

Método con el cual obtuvieron neutrones por medio de la espalación de tungsteno en un experimento previo en los Los Alamos Neutron Science Center. Imagen: Physical Review Letters.

Esta constante de acoplamiento fue propuesta en 1980 por John Donoghue, Barry Holstein, ambos de la Universidad de Massachusetts, y Brecht Desplanque, de la Universidad de Gante, Bélgica. Su determinación experimental ha sido el objetivo de la colaboración NPDGamma desde 1998, esfuerzo que culminó apenas el año pasado.

La colaboración analizó particularmente la interacción entre el nucleón y el pión, que es el mesón más ligero, ya que por su peso, es el que mayor alcance tiene para interactuar con otras partículas y completar la interacción débil.

“Lo que estamos midiendo es que de verdad ocurra el intercambio de estos mesones. El valor de ese acoplamiento nos dice qué tan dominante es ese camino, ya que la interacción también podría deberse al intercambio de mesones Ro u Omega. Durante mucho tiempo se pensó que el intercambio del mesón Pi (π) era el más importante por ser el más ligero y porque se cree que es el principal mediador en la interacción”, añadió la investigadora.

De acuerdo con ella, primero tuvieron que obtener neutrones por medio del choque de protones acelerados contra mercurio líquido –método conocido como ‘espalación’-, lo cual provoca la liberación de neutrones energéticos, partículas que después pasan por moderadores de hidrógeno líquido para que pierdan energía y puedan ser analizados y medidos.

Los investigadores lograron analizar la asimetría gamma de paridad impar cuando los neutrones fueron atrapados en un blanco con parahidrógeno, un estado del hidrógeno a 16 grados Kelvin que no altera su espín, que además “es un estado conveniente porque ese es el momento de acoplamiento que necesitábamos estudiar", dice la especialista.

Sin embargo, apareció otra dificultad: "la emisión de rayos gamma causada por las partículas del contenedor de aluminio del experimento, ese fenómeno genera ruido y puede confundir al momento de analizar”, afirma Barrrón.

“Al final hay mucha controversia porque concluimos que el momento de acoplamiento que estudiamos no es tan grande como se creía, y hay trabajos que están estudiando los demás parámetros para determinar si son más importantes o no”, agregó la investigadora y colaboradora de NPDGamma.

Actualmente, los grupos de experimentación y teóricos de la interacción nuclear débil están revisando los resultados de investigaciones contemporáneas para formular una propuesta que explique con mayor precisión este fenómeno natural, una de las fuerzas fundamentales del Universo.