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Esta imagen muestra el núcleo en forma de pera del átomo de radio, compuesto por protones y neutrones en el centro, rodeado por una nube de electrones (amarillos) y un electrón (bola amarilla con flecha) que tiene una probabilidad de estar dentro del núcleo. Al fondo se ve el núcleo esférico de un átomo de flúor, que se une para formar la molécula completa de monofluoruro de radio. Crédito: Los investigadores / Instituto Tecnológico de Massachusetts. |
Un grupo de físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) acaba de abrir una nueva ventana hacia el corazón mismo de los átomos. Por primera vez, lograron explorar la estructura interna del núcleo atómico sin recurrir a enormes aceleradores de partículas, sino utilizando moléculas y las propiedades cuánticas de sus electrones. El resultado: una manera completamente nueva de “escuchar” lo que ocurre dentro del núcleo, desde una simple mesa de laboratorio.
El equipo centró su atención en una molécula muy particular, el monofluoruro de radio (RaF), formada por un átomo de radio unido a uno de flúor. En este sistema, los electrones que orbitan el núcleo del radio se enfrentan a campos eléctricos tan intensos que, ocasionalmente, logran atravesar el límite del núcleo e interactuar directamente con sus protones y neutrones. Ese breve cruce deja una huella minúscula —un cambio de energía tan sutil como revelador— que los investigadores pudieron medir con una precisión extraordinaria.
Hasta ahora, comprender la estructura del núcleo implicaba colisionar electrones a velocidades cercanas a la luz en gigantescos aceleradores. Sin embargo, el método del MIT transforma ese proceso en algo mucho más accesible: los propios campos eléctricos de las moléculas se convierten en herramientas de exploración nuclear, capaces de detectar variaciones ínfimas en la energía de los electrones. Este enfoque no solo reduce costos y complejidad, sino que también permite estudiar núcleos exóticos o radiactivos que serían imposibles de investigar mediante técnicas tradicionales.
El caso del radio es especialmente fascinante. A diferencia de la mayoría de los núcleos, que suelen ser esféricos, el núcleo del radio tiene forma de pera. Esa asimetría lo hace sensible a ciertos fenómenos que violan simetrías fundamentales de la física, como la paridad y la inversión temporal. Dichas violaciones podrían ser clave para entender uno de los grandes enigmas del universo: por qué existe más materia que antimateria.
Para detectar estos efectos, los investigadores enfriaron y atraparon moléculas de RaF en cámaras de vacío, aplicando láseres calibrados con una precisión atómica. Gracias a esa técnica de espectroscopía láser, identificaron un desplazamiento energético diminuto —una parte por millón— que confirma que los electrones realmente penetran el núcleo y regresan con información sobre su estructura. En otras palabras, los electrones se comportan como mensajeros cuánticos que traen noticias desde el interior del átomo.
La comparación que proponen los científicos es tan simple como poderosa: es como poder medir el campo eléctrico dentro de una batería, no solo fuera de ella. Este avance añade una dimensión completamente nueva a la espectroscopía nuclear, haciendo posible estudiar detalles del magnetismo y la forma del núcleo que antes estaban fuera de alcance.
El objetivo a largo plazo es aprovechar esa forma de pera del radio para detectar señales de nueva física. Si se logran aislar las orientaciones nucleares y mejorar la precisión de las mediciones, podrían observarse efectos que desafíen el Modelo Estándar de la física de partículas. Un hallazgo así no solo cambiaría lo que sabemos sobre la materia, sino también sobre el origen del universo.
El experimento no estuvo exento de desafíos. El radio es radiactivo y difícil de producir, pero el equipo logró obtener resultados incluso con cantidades minúsculas de moléculas. Esa hazaña demuestra la sensibilidad extrema de su sistema de trampas moleculares y abre la puerta al estudio de otros núcleos raros o inestables que antes eran prácticamente inaccesibles.
El proyecto contó con la colaboración de instituciones internacionales, incluido el experimento CRIS del CERN, donde se produjeron los isótopos de radio utilizados. Este tipo de cooperación refleja la nueva era de la física nuclear: una disciplina cada vez más interdisciplinaria, donde se combinan la espectroscopía molecular, la física cuántica y la cosmología para desentrañar los secretos más profundos de la materia.
En el futuro, el equipo del MIT planea mejorar el control sobre las moléculas, reduciendo aún más su movimiento térmico y alineando los núcleos con precisión para mapear su magnetización interna. Con ello esperan detectar desviaciones diminutas en las simetrías fundamentales, indicios que podrían revelar nuevas fuerzas o partículas aún desconocidas.
