Hace unos tres años, Wolfgang «Wolfi» Mittig y Yassid Ayyad se propusieron encontrar la masa faltante del universo, mejor conocida como materia oscura, en el corazón de un átomo.

Su expedición no los llevó a la materia oscura, pero aun así encontraron algo que nunca antes se había visto, algo que desafiaba toda explicación. Bueno, al menos una explicación en la que todos pudieran estar de acuerdo.

«Fue una especie de historia de detectives», dijo Mittig, profesora distinguida de Hannah en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Michigan y miembro de la facultad en el Centro de Haces de Isótopos Raros (FRIB).

«Empezamos a buscar materia oscura y no la encontramos», dijo. «En cambio, encontramos otras cosas que eran difíciles de explicar para la teoría».

Entonces, el equipo volvió al trabajo, realizó más experimentos y reunió más evidencia para que su descubrimiento fuera significativo. Mitten, Ayyad y sus colegas apoyaron su caso en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) en la Universidad Estatal de Michigan.

Trabajando en NSCL, el equipo encontró un nuevo camino hacia su objetivo inesperado, que detallaron en el Journal el 28 de junio. Cartas de verificación física. Al hacerlo, también revelaron física interesante en curso en la escala cuántica ultrapequeña de partículas subatómicas.

En particular, el equipo confirmó que cuando el núcleo de un átomo o el núcleo está repleto de neutrones, aún puede encontrar la forma de una configuración más estable arrojando un protón en su lugar.

Un tiro en la oscuridad

La materia oscura es una de las cosas más famosas del universo de las que menos sabemos. Durante décadas, los científicos han sabido que el cosmos contiene más masa de la que podemos deducir de las trayectorias de las estrellas y las galaxias.

Para que la gravedad mantuviera los objetos celestes en sus órbitas, tenía que haber masa invisible, y mucha: seis veces la cantidad de materia normal que podemos observar, medir y caracterizar. Aunque los científicos están convencidos de que la materia oscura existe, todavía tienen que descubrir dónde y cómo detectarla directamente.

«Encontrar materia oscura es uno de los principales objetivos de la física», dijo Ayyad, investigador de física nuclear en el Instituto Gallego de Física de Altas Energías (IGFAE) de la Universidad de Santiago de Compostela en España.

Para hablar en números redondos, los científicos han lanzado alrededor de 100 experimentos para tratar de averiguar qué es exactamente la materia oscura, dijo Mittig.

«Ninguno de ellos ha tenido éxito después de 20, 30, 40 años de investigación», dijo.

«Pero había una teoría, una idea muy hipotética, de que se podía observar la materia oscura con un tipo de núcleo muy específico», dijo Ayyad, quien anteriormente fue físico de sistemas de detección en NSCL.

Esta teoría se centró en lo que ella llama una decadencia oscura. Postuló que ciertos núcleos inestables, núcleos que se deshacen naturalmente, podrían arrojar materia oscura a medida que se descomponen.

Así que Ayyad, Mitten y su equipo diseñaron un experimento que podría buscar una decadencia oscura, sabiendo que las probabilidades estaban en su contra. Pero la apuesta no fue tan grande como parece, porque estudiar desintegraciones exóticas también permite a los investigadores comprender mejor las reglas y estructuras de los mundos atómico y cuántico.

Los investigadores tenían una buena oportunidad de descubrir algo nuevo. La pregunta era qué sería eso.

Ayuda de un halo

Cuando la gente imagina un núcleo, muchos podrían pensar en él como una bola de protones y neutrones grumosos, dijo Ayyad. Pero los núcleos pueden adoptar formas extrañas, incluidos los llamados núcleos de halo.

El berilio-11 es un ejemplo de núcleos de halo. Es una forma o isótopo del elemento berilio, que tiene cuatro protones y siete neutrones en su núcleo. Contiene 10 de esas 11 partículas centrales en un grupo central apretado. Pero un neutrón flota lejos de ese núcleo, vagamente unido al resto del núcleo, al igual que la luna orbita alrededor de la Tierra, dijo Ayyad.

El berilio-11 también es inestable. Después de una vida útil de unos 13,8 segundos, se descompone a través de lo que se conoce como desintegración beta. Uno de sus neutrones expulsa un electrón y se convierte en un protón. Esto convierte al núcleo atómico en una forma estable del elemento boro con cinco protones y seis neutrones, boro-11.

Pero de acuerdo con esta teoría muy hipotética, si el neutrón que se está desintegrando es el del halo, el berilio-11 podría seguir un camino muy diferente: podría sufrir una desintegración oscura.

En 2019, los investigadores lanzaron un experimento en la instalación nacional de aceleradores de partículas de Canadá, TRIUMF, para buscar esta hipotética descomposición. Y encontraron un decaimiento con una probabilidad inesperadamente alta, pero no era un decaimiento oscuro.

Parecía que el neutrón débilmente unido del berilio-11 estaba expulsando un electrón como en la desintegración beta normal, pero el berilio no siguió el camino de desintegración conocido hasta el boro.

El equipo planteó la hipótesis de que la alta probabilidad de descomposición podría explicarse si existiera un estado en el boro-11 como puerta de entrada a otra descomposición, el berilio-10 y un protón. Para cualquiera que llevara la cuenta, eso significaba que el núcleo había vuelto a ser berilio. Sólo que ahora tenía seis en lugar de siete neutrones.

«Solo está sucediendo debido al núcleo de Halo», dijo Ayyad. «Es un tipo muy exótico de radiactividad. En realidad, fue la primera evidencia directa de la radiactividad de protones de un núcleo rico en neutrones».

Pero la ciencia agradece el escrutinio y el escepticismo, y el informe del equipo de 2019 fue recibido con una buena dosis de ambos. Este «estado inicial» en el boro-11 parecía ser incompatible con la mayoría de los modelos teóricos. Sin una teoría sólida para dar sentido a lo que vio el equipo, diferentes expertos interpretaron los datos del equipo de manera diferente y ofrecieron otras posibles conclusiones.

«Tuvimos muchas conversaciones largas», dijo Mittig. «Fue algo bueno».

A pesar de lo útiles que fueron, y continúan siendo, las discusiones, Mitte y Ayyad sabían que necesitaban recopilar más evidencia para respaldar sus hallazgos e hipótesis. Tendrías que diseñar nuevos experimentos.

Los experimentos NSCL

En el experimento del equipo de 2019, TRIUMF generó un haz de núcleos de berilio-11, que el equipo apuntó a una cámara de detección, donde los investigadores observaron varias posibles vías de descomposición. Esto incluyó la desintegración beta del proceso de emisión de protones que produjo berilio-10.

Para los nuevos experimentos, que se llevaron a cabo en agosto de 2021, la idea del equipo era realizar esencialmente la reacción en tiempo inverso. Eso significa que los investigadores comenzarían con núcleos de berilio-10 y agregarían un protón.

Los colaboradores en Suiza crearon una fuente de berilio-10 con una vida media de 1,4 millones de años, que NSCL podría usar para generar haces radiactivos utilizando la nueva tecnología del acelerador Rebe. La tecnología vaporizó e inyectó el berilio en un acelerador, lo que permitió a los investigadores realizar una medición muy sensible.

Cuando el berilio-10 absorbió un protón con la energía adecuada, el núcleo entró en el mismo estado excitado que los investigadores pensaron haber descubierto tres años antes. Incluso volvería a escupir el protón, lo que puede detectarse como una firma del proceso.

«Los resultados de los dos experimentos son muy compatibles», dijo Ayyad.

Esa no fue la única buena noticia. Sin que el equipo lo supiera, un grupo independiente de científicos de la Universidad Estatal de Florida había encontrado otra forma de estudiar el resultado de 2019. Ayyad asistía a una conferencia virtual en la que el equipo del estado de Florida presentaba sus hallazgos preliminares, y lo que vio lo alentó.

“Tomé una captura de pantalla de la reunión de Zoom e inmediatamente se la envié a Wolfi”, dijo. «Luego nos comunicamos con el equipo de Florida State y encontramos una manera de apoyarnos mutuamente».

Los dos equipos estuvieron en contacto mientras preparaban sus informes, y ambos artículos científicos ahora aparecen en la misma edición de Physical Review Letters. Y los nuevos resultados ya están causando revuelo en la comunidad.

“El trabajo llama mucho la atención. Wolfi visitará España en unas semanas para hablar de ello», dijo Ayyad.

Un caso abierto sobre sistemas cuánticos abiertos

Parte de la emoción es que el trabajo del equipo podría proporcionar un nuevo caso de estudio para los llamados sistemas cuánticos abiertos. Es un nombre intimidante, pero puedes pensar en el concepto como dice el viejo refrán: «Nada existe en el vacío».

La física cuántica ha proporcionado un marco para comprender los componentes increíblemente diminutos de la naturaleza: átomos, moléculas y más. Esta comprensión ha avanzado prácticamente en todas las áreas de la ciencia, incluidas la energía, la química y la ciencia de los materiales.

Sin embargo, gran parte de este marco se diseñó con escenarios simplificados en mente. El sistema superpequeño de interés estaría algo aislado del mar de entradas proporcionadas por el mundo que lo rodea. Al estudiar sistemas cuánticos abiertos, los físicos se alejan de los escenarios idealizados y se adentran en la complejidad de la realidad.

Los sistemas cuánticos abiertos están literalmente en todas partes, pero encontrar uno lo suficientemente manejable para aprender es un desafío, especialmente cuando se trata del núcleo. Mitte y Ayyad vieron potencial en sus núcleos sueltos y sabían que NSCL y ahora FRIB podían ayudar a desarrollarlo.

NSCL, una instalación para usuarios de la Fundación Nacional de Ciencias que ha servido a la comunidad científica durante décadas, acogió el trabajo de Mittig y Ayyad, que es la primera demostración publicada de la tecnología independiente del acelerador Rebe. FRIB, una instalación para usuarios del Departamento de Energía de EE. UU. que se inauguró oficialmente el 2 de mayo de 2022, es donde el trabajo puede continuar en el futuro.

«Los sistemas cuánticos abiertos son un fenómeno común, pero son una idea nueva en la física nuclear», dijo Ayyad. «Y la mayoría de los teóricos que hacen el trabajo están en FRIB».

Pero esta historia de detectives aún está en pañales. Para cerrar el caso, los investigadores necesitan más datos, más evidencia, para comprender completamente lo que están viendo. Eso significa que Ayyad y Mitten siguen haciendo lo que mejor saben hacer e investigando.

«Seguimos adelante y hacemos nuevos experimentos», dijo Mittig. «El tema de todo esto es que es importante tener buenos experimentos con análisis sólidos».

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