Hace unos tres años, Wolfgang «Wolfi» Mittig y Yassid Ayyad fueron a buscar la masa perdida del universo, mejor conocida como materia oscura, en el corazón de un átomo.
Su expedición no los condujo 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.
«Ha sido algo así como una 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, o FRIB.
«Comenzamos a buscar materia oscura y no la encontramos», dijo. «En cambio, encontramos otras cosas que han sido difíciles de explicar para la teoría».
Entonces, el equipo volvió al trabajo, hizo más experimentos y reunió más evidencia para que su descubrimiento tuviera sentido. Mittig, Ayyad y sus colegas reforzaron su caso en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, o NSCL, en la Universidad Estatal de Michigan.
Trabajando en NSCL, el equipo encontró un nuevo camino hacia su destino inesperado, que detallaron el 28 de junio en la revista. Cartas de revisión física. Al hacerlo, también revelaron una física interesante que está en marcha en el reino cuántico ultrapequeño de las partículas subatómicas.
En particular, el equipo confirmó que cuando el núcleo de un átomo está sobrecargado de neutrones, todavía puede encontrar una forma de una configuración más estable escupiendo 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 ver según las trayectorias de las estrellas y las galaxias.
Para que la gravedad mantuviera a los objetos celestes atados a sus caminos, tenía que haber una masa invisible y mucha, seis veces la cantidad de materia regular que podemos observar, medir y caracterizar. Aunque los científicos están convencidos de que la materia oscura está ahí fuera, todavía tienen que encontrar dónde e idear 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, o IGFAE, de la Universidad de Santiago de Compostela en España.
Hablando en números redondos, los científicos han lanzado alrededor de 100 experimentos para tratar de aclarar 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 particular», dijo Ayyad, quien anteriormente fue físico de sistemas de detección en NSCL.
Esta teoría se centró en lo que llama una decadencia oscura. Postuló que ciertos núcleos inestables, núcleos que naturalmente se desmoronan, podrían deshacerse de la materia oscura a medida que se desmoronan.
Así que Ayyad, Mittig y su equipo diseñaron un experimento que podría buscar una descomposición oscura, sabiendo que las probabilidades estaban en su contra. Pero la apuesta no fue tan grande como parece porque sondear desintegraciones exóticas también permite a los investigadores comprender mejor las reglas y estructuras de los mundos nuclear 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 pueden pensar en una bola grumosa formada por protones y neutrones, dijo Ayyad. Pero los núcleos pueden adoptar formas extrañas, incluidas las que se conocen como núcleos de halo.
El berilio-11 es un ejemplo de un núcleo de halo. Es una forma, o isótopo, del elemento berilio que tiene cuatro protones y siete neutrones en su núcleo. Mantiene 10 de esas 11 partículas nucleares en un grupo central apretado. Pero un neutrón flota lejos de ese núcleo, débilmente unido al resto del núcleo, como la luna que resuena alrededor de la Tierra, dijo Ayyad.
El berilio-11 también es inestable. Después de una vida útil de unos 13,8 segundos, se desmorona por lo que se conoce como decaimiento beta. Uno de sus neutrones expulsa un electrón y se convierte en un protón. Esto transforma el núcleo en una forma estable del elemento boro con cinco protones y seis neutrones, boro-11.
Pero de acuerdo con esa misma teoría hipotética, si el neutrón que se desintegra es el que está en el halo, el berilio-11 podría tomar una ruta completamente diferente: podría sufrir una desintegración oscura.
En 2019, los investigadores lanzaron un experimento en la instalación nacional de aceleradores de partículas de Canadá, TRIUMF, en busca de esa hipotética descomposición. Y encontraron un decaimiento con una probabilidad inesperadamente alta, pero no fue un decaimiento oscuro.
Parecía que el neutrón débilmente unido del berilio-11 estaba expulsando un electrón como la desintegración beta normal, pero el berilio no estaba siguiendo el camino de desintegración conocido hacia 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, al berilio-10 y un protón. Para cualquiera que llevara la cuenta, eso significaba que el núcleo se había vuelto a convertir en berilio. Sólo que ahora tenía seis neutrones en lugar de siete.
«Esto sucede solo por el núcleo del 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 recibió una buena dosis de ambos. Ese estado de «entrada» en el boro-11 no parecía compatible con la mayoría de los modelos teóricos. Sin una teoría sólida que diera sentido a lo que vio el equipo, diferentes expertos interpretaron los datos del equipo de manera diferente y ofrecieron otras posibles conclusiones.
«Tuvimos muchas discusiones largas», dijo Mittig. «Fue algo bueno».
A pesar de lo beneficiosas que fueron, y continúan siendo, las discusiones, Mittig y Ayyad sabían que tendrían que generar más evidencia para respaldar sus resultados e hipótesis. Tendrían 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 dirigió a una cámara de detección donde los investigadores observaron diferentes rutas de descomposición posibles. Eso incluía el proceso de desintegración beta a emisión de protones que creó el berilio-10.
Para los nuevos experimentos, que se llevaron a cabo en agosto de 2021, la idea del equipo era ejecutar esencialmente la reacción en tiempo inverso. Es decir, los investigadores comenzarían con núcleos de berilio-10 y agregarían un protón.
Los colaboradores en Suiza crearon una fuente de berilio-10, que tiene una vida media de 1,4 millones de años, que NSCL podría usar para producir haces radiactivos con una nueva tecnología de reaceleración. La tecnología evaporó e inyectó el berilio en un acelerador y permitió a los investigadores realizar una medición muy sensible.
Cuando el berilio-10 absorbió un protón de la energía correcta, el núcleo entró en el mismo estado excitado que los investigadores creían haber descubierto tres años antes. Incluso volvería a escupir el protón, lo que puede detectarse como la 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 ideado otra forma de probar el resultado de 2019. Ayyad asistió a una conferencia virtual donde el equipo del estado de Florida presentó sus resultados 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 del estado de Florida y encontramos una manera de apoyarnos mutuamente».
Los dos equipos estuvieron en contacto mientras desarrollaban sus informes, y ambas publicaciones científicas ahora aparecen en la misma edición de Physical Review Letters. Y los nuevos resultados ya están generando entusiasmo en la comunidad.
«El trabajo está recibiendo mucha atención. Wolfi visitará España en unas semanas para hablar sobre esto», dijo Ayyad.
Un caso abierto sobre sistemas cuánticos abiertos
Parte del entusiasmo se debe a que el trabajo del equipo podría proporcionar un nuevo caso de estudio para lo que se conoce como sistemas cuánticos abiertos. Es un nombre intimidante, pero el concepto se puede pensar como el viejo adagio, «nada existe en el vacío».
La física cuántica ha proporcionado un marco para comprender los componentes increíblemente diminutos de la naturaleza: átomos, moléculas y mucho, mucho más. Esta comprensión ha avanzado prácticamente en todos los ámbitos de la ciencia física, incluida la energía, la química y la ciencia de los materiales.
Gran parte de ese marco, sin embargo, se desarrolló considerando escenarios simplificados. El superpequeño sistema de interés estaría aislado de alguna manera del océano de información proporcionada por el mundo que lo rodea. Al estudiar los sistemas cuánticos abiertos, los físicos se están aventurando a alejarse de los escenarios idealizados y adentrarse en la complejidad de la realidad.
Los sistemas cuánticos abiertos están literalmente en todas partes, pero encontrar uno que sea lo suficientemente manejable para aprender algo es un desafío, especialmente en asuntos del núcleo. Mittig y Ayyad vieron potencial en sus núcleos débilmente unidos y sabían que NSCL, y ahora FRIB, podrían ayudar a desarrollarlo.
NSCL, una instalación para usuarios de la Fundación Nacional de Ciencias que sirvió a la comunidad científica durante décadas, acogió el trabajo de Mittig y Ayyad, que es la primera demostración publicada de la tecnología de acelerador independiente. FRIB, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. que se lanzó oficialmente el 2 de mayo de 2022 es donde el trabajo puede continuar en el futuro.
«Los sistemas cuánticos abiertos son un fenómeno general, pero son una idea nueva en la física nuclear», dijo Ayyad. «Y la mayoría de los teóricos que están haciendo el trabajo están en FRIB».
Pero esta historia de detectives aún está en sus primeros capítulos. Para completar el caso, los investigadores aún necesitan más datos, más evidencia para dar sentido completo a lo que están viendo. Eso significa que Ayyad y Mittig 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 un análisis sólido».