Rugby nuclear: cómo el átomo de plomo-208 desconcertó a los investigadores

Científicos del Grupo de Física Nuclear de la Universidad de Surrey han realizado un descubrimiento que redefine la comprensión fundamental de la materia. Al estudiar el plomo-208 (²⁰⁸Pb), encontraron que el núcleo de este isótopo tiene una forma inusual que contradice todos los modelos teóricos previos.

En el mundo subatómico, el plomo-208 ocupa una posición especial debido a su extraordinaria estabilidad. Su núcleo contiene 82 protones y 126 neutrones, ambos considerados "números mágicos" en la física nuclear. Se les denomina así porque los núcleos atómicos con estos valores muestran una estabilidad excepcional: son extremadamente resistentes a la desintegración radiactiva y apenas reaccionan en procesos nucleares.

Los físicos llaman al núcleo del plomo-208 "doblemente mágico", ya que tanto el número de protones como el de neutrones coinciden con estos valores especiales. De manera análoga a cómo los electrones en los átomos se organizan en niveles de energía, los protones y neutrones dentro del núcleo forman capas bien definidas. Cuando una de estas capas está completamente llena (lo que ocurre en los números mágicos), la estructura nuclear se vuelve particularmente estable, similar a los gases nobles, cuya estabilidad química se debe a sus capas electrónicas completas.

Para analizar la forma del núcleo de plomo-208, los investigadores emplearon el espectrómetro de rayos gamma GRETINA, uno de los instrumentos más avanzados en la física nuclear actual. Instalado en el Laboratorio Nacional de Argonne en Illinois, este dispositivo puede detectar cambios minúsculos en los estados energéticos de los núcleos atómicos con una precisión sin precedentes.

Cómo se realizó el experimento

El método experimental se basó en bombardear átomos de plomo con haces de partículas cargadas. Estas partículas fueron aceleradas hasta alcanzar una décima parte de la velocidad de la luz, aproximadamente 30.000 kilómetros por segundo. A esa velocidad, una partícula podría recorrer la distancia entre el ecuador y el polo de la Tierra en una fracción de segundo.

Cuando las partículas impactaban contra los átomos de plomo, estos entraban en un estado excitado y emitían rayos gamma—fotones de alta energía que transportan información sobre la estructura interna de la materia. El espectrómetro GRETINA registraba esta radiación, generando un "huella energética" única para cada configuración nuclear.

El análisis de los datos obtenidos en cuatro mediciones independientes reveló un resultado sorprendente: la parte central del núcleo del plomo-208 no es esférica, como se creía, sino alargada, con una forma similar a la de un balón de rugby. Este hallazgo desafía la idea tradicional de que los núcleos con números mágicos deben ser perfectamente esféricos debido a su estabilidad estructural.

La deformación observada sugiere la existencia de mecanismos de interacción entre partículas subatómicas que hasta ahora no habían sido considerados. Según el investigador principal, el Dr. Jack Henderson, esta asimetría podría estar relacionada con efectos cuánticos que emergen bajo altas excitaciones de energía.

El profesor Paul Stevenson, teórico principal del estudio, explica el fenómeno a nivel cuántico: en su estado fundamental, las partículas dentro del núcleo oscilan con una periodicidad bien definida, manteniendo la estructura global. Sin embargo, cuando el núcleo es sometido a una excitación energética intensa, este ritmo se altera y la forma de todo el núcleo cambia.

Un núcleo que se estira como un globo

Las mediciones confirmaron que la forma del núcleo atómico depende directamente de la cantidad de energía que recibe. En su estado no excitado, el núcleo del plomo-208 es casi perfectamente esférico, con pequeñas desviaciones de la forma ideal. Sin embargo, al recibir un aporte energético adicional, comienza a deformarse—como si fuera una burbuja de jabón que se estira bajo la acción de fuerzas internas, aunque sin perder su cohesión estructural.

Si incluso un núcleo tan estable como el del plomo-208 muestra propiedades inesperadas, los núcleos de elementos más exóticos podrían revelar comportamientos aún más sorprendentes. Este descubrimiento es especialmente relevante para la comprensión de los procesos de nucleosíntesis—es decir, la formación de elementos pesados en estrellas y en colisiones de estrellas de neutrones.

Además, los resultados de este experimento abren nuevas fronteras en la mecánica cuántica y la astrofísica. Comprender en profundidad los procesos de deformación de la materia a nivel subatómico podría impulsar el desarrollo de tecnologías energéticas avanzadas, así como innovaciones en métodos de diagnóstico y terapia médica.