¿Cómo es el interior de un átomo de carbono? Un estudio reciente del Centro de Investigación Jülich, la Universidad Estatal de Michigan y la Universidad de Bonn proporciona la primera respuesta exhaustiva a esta pregunta. Un innovador estudio ha revelado la estructura interna del núcleo de carbono, destacando la importancia del estado de Hoyle y proporcionando nuevos conocimientos sobre la disposición de las partículas nucleares. Esta investigación allana el camino para futuros descubrimientos en física nuclear.
En este estudio, los investigadores simularon todos los estados energéticos conocidos del núcleo atómico. Eso incluye el desconcertante estatus de Hoyle. Si el estado Hoyle no existiera, el carbono y el oxígeno tendrían una presencia mínima en el universo. Por tanto, también le debemos nuestra existencia. La investigación fue publicada en la revista Nature Communications.
Composición y dinámica de los núcleos atómicos.
El núcleo de un átomo de carbono suele estar formado por seis protones y seis neutrones. ¿Pero cómo están exactamente organizados? Cuando los núcleos atómicos son bombardeados con radiación de alta energía, ¿cómo cambian sus configuraciones? La comunidad científica lleva décadas buscando respuestas a estas preguntas. Especialmente porque podrían proporcionar una respuesta a un misterio que ha desconcertado a los físicos durante mucho tiempo: ¿por qué hay tantos átomos de carbono en el espacio, sin los cuales no habría vida en la Tierra? Después de todo, poco después del Big Bang, solo existían hidrógeno y helio. El núcleo de hidrógeno consta de un protón y el núcleo de helio consta de dos protones y dos neutrones. Todos los elementos más pesados fueron creados miles de millones de años después por estrellas envejecidas. En estas estrellas, los núcleos de helio se fusionan en núcleos de carbono bajo una presión tremenda y temperaturas extremadamente altas. Esto requiere que tres núcleos de helio se fusionen.
El profesor Dr. Ulf Meißner del Instituto Helmholtz de Radiación y Física Nuclear de la Universidad de Bonn y del Instituto de Simulación Avanzada del Forschungszentrum Jülich explicó: "Pero en realidad es poco probable que esto suceda. ¿Por qué? La energía de los núcleos de helio es mucho mayor que la de los núcleos de carbono".
Sin embargo, eso no significa que sean especialmente fáciles de combinar, sino todo lo contrario: es como tres personas intentando saltar sobre un tiovivo. Pero como corren mucho más rápido que un tiovivo, es difícil tener éxito.
Estado de Hoyle: clave para la formación de carbono
Por lo tanto, ya en la década de 1950, el astrónomo británico Fred Hoyle especuló que tres núcleos de helio se unieron por primera vez para formar un estado de transición. Este "estado Hoyle" es muy similar a la energía de un núcleo de helio. Es como un tiovivo que gira más rápido para que tres pasajeros puedan subirse fácilmente. Cuando esto sucede, el carrusel disminuye su velocidad hasta alcanzar la velocidad normal.
"Sólo evitando el estado Hoyle las estrellas pueden crear cantidades apreciables de carbono", afirma Meissner, miembro del área de investigación interdisciplinaria "Modelado" y "Materia" de la Universidad de Bonn.
Tecnología de simulación avanzada
Hace unos diez años, junto con sus colegas estadounidenses del Forschungszentrum Jülich y la Ruhr-Universität Bochum, simuló con éxito por primera vez el estado de Hoyle.
"En aquel momento ya sabíamos cómo estaban dispuestos los protones y neutrones del núcleo de carbono en este estado. Sin embargo, no pudimos demostrar con certeza que esta hipótesis fuera correcta", explica.
Con la ayuda de un método avanzado, los investigadores lo han logrado. Esto se debe principalmente a limitaciones: en realidad, los protones y neutrones (nucleones) pueden ubicarse en cualquier lugar del espacio. Sin embargo, para realizar sus cálculos, el equipo de investigación limitó este grado de libertad: "Dispusimos las partículas nucleares en los nodos de una red tridimensional", explica Meißner. "Por lo tanto, sólo les permitimos estar en determinadas posiciones estrictamente definidas. Precisamente gracias a esta restricción es posible calcular el movimiento de los nucleones. Esta tarea es muy complicada porque la interacción entre las partículas nucleares difiere según la distancia".
Los investigadores también realizaron millones de simulaciones con condiciones iniciales ligeramente diferentes. Esto les permitió ver dónde era más probable que aparecieran protones y neutrones.
"Hemos realizado cálculos para todos los estados energéticos conocidos del núcleo de carbono", afirma Meißner. Los cálculos se realizaron en el superordenador JEWELS del Centro de Investigación de Jülich. En total, los cálculos requirieron alrededor de 5 millones de horas de procesador, con miles de procesadores trabajando simultáneamente.
revelar la estructura del núcleo atómico
Estos resultados proporcionan efectivamente una imagen del núcleo de carbono. Demuestran que las partículas nucleares no existen de forma independiente. "En lugar de ello, se agrupan en grupos de dos neutrones y dos protones", explica el físico. Esto significa que aún se pueden detectar tres núcleos de helio después de que se hayan fusionado para formar un núcleo de carbono. Dependiendo del estado energético, existen en diferentes formas espaciales: ya sea dispuestos en un triángulo isósceles o como un brazo ligeramente doblado, con un núcleo en el hombro, otro en el codo y otro en la muñeca. "
Este estudio no sólo ofrece a los investigadores una mejor comprensión de la física de los núcleos de carbono. "El método que hemos desarrollado se puede utilizar fácilmente para simular otros núcleos atómicos y sin duda conducirá a conocimientos completamente nuevos", afirmó Meissner.
Referencias Shen Shihang, Serdar Elhatisari, Timo A. Lähde, Dean Lee, Bing-Nan Lu y Ulf-G. Meißner, "Geometrías y dualidades emergentes en núcleos de carbono", 15 de mayo de 2023, Nature Communications. Meißner, 15 de mayo de 2023, Nature Communications.
DOI:10.1038/s41467-023-38391-y
Fuente compilada: ScitechDaily