Un rompecabezas nuclear: los físicos desvelan los secretos de los isótopos anómalos

El enigma de la materia oscura ha desconcertado a los científicos durante casi un siglo. Su presencia en el Universo es evidente, pero nadie ha logrado verla ni medirla directamente. Quizás la clave del misterio esté oculta en las partículas más pequeñas de la materia ordinaria: los átomos, que ahora pueden estudiarse con una precisión sin precedentes.

Una pista para los físicos surgió a partir de experimentos inusuales con isótopos de iterbio. En 2020, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts estudió cómo se desplazaban los niveles de energía de los electrones al cambiar de un isótopo a otro. Según las teorías existentes, estos desplazamientos debían formar una línea recta en un gráfico. Sin embargo, en este caso, la imagen obtenida era completamente diferente: curva, como si una fuerza desconocida estuviera afectando el comportamiento de los electrones.

Desde hace tiempo, la ciencia ha considerado la posibilidad de que la materia oscura interactúe con la materia ordinaria no solo a través de la gravedad. Muchos científicos han planteado la existencia de "fuerzas oscuras", un tipo de intermediario entre ambas formas de materia. En teoría, estas fuerzas deberían manifestarse a nivel de partículas elementales, influyendo, entre otras cosas, en el comportamiento de los electrones. Precisamente por eso la anomalía en los átomos de iterbio llamó tanto la atención: coincidía sorprendentemente bien con las predicciones teóricas sobre cómo podrían actuar estas fuerzas hipotéticas.

Para poner a prueba la hipótesis, se llevó a cabo una serie de nuevos experimentos con una precisión cien veces superior a cualquier medición previa. Los físicos utilizaron dos métodos independientes: en uno, observaron el comportamiento de los electrones mediante trampas de iones de alta frecuencia y sistemas láser ultrastables; en el otro, midieron las proporciones de masa de los isótopos con el espectrómetro de masas PENTATRAP.

Los datos obtenidos confirmaron la existencia de la anomalía. Sin embargo, para comprender su naturaleza, se necesitaron nuevos cálculos teóricos. Un equipo de físicos liderado por Achim Schwenk desarrolló un modelo más preciso del núcleo atómico.

Los cálculos revelaron un panorama más complejo e interesante. La no linealidad en el comportamiento de los electrones surgía porque, al añadir neutrones, el núcleo del átomo de iterbio no solo aumentaba de tamaño, sino que también cambiaba de forma, pasando de ser casi esférico a una estructura notablemente elongada. Estos cambios generaban un campo eléctrico no uniforme, que afectaba de manera diferente a los niveles de energía de los electrones en distintos isótopos. Por primera vez, los científicos lograron rastrear cambios estructurales tan sutiles en el núcleo atómico simplemente observando el comportamiento de los electrones en la capa exterior del átomo.

Además, los investigadores establecieron nuevos límites en la búsqueda de fuerzas oscuras. Si tales fuerzas realmente actúan entre neutrones y electrones, su intensidad debe ser al menos cien veces menor de lo que se había supuesto previamente. Esto significa que o bien existen en una forma extremadamente débil, o bien funcionan de una manera completamente diferente a lo que predecían los modelos teóricos.

Los resultados obtenidos son cruciales no solo para comprender la estructura del átomo. También acercan a los científicos a resolver los misterios de las estrellas de neutrones, objetos cósmicos fascinantes donde la materia existe en condiciones extremas. Comprender el comportamiento de los núcleos con un gran número de neutrones permitirá describir con mayor precisión los procesos que ocurren en el interior de estos gigantes enigmáticos.

Pero lo más importante es que este trabajo demuestra la importancia de integrar diferentes áreas de la física. La combinación de métodos experimentales y cálculos teóricos permite profundizar cada vez más en los secretos de la materia, acercándonos al entendimiento fundamental de la estructura del Universo.