La física atómica se sacude: descubren que los números mágicos colapsan en núcleos perfectamente simétricos

En el corazón de los átomos, los protones y neutrones no están colocados al azar. Siguen un orden determinado por niveles de energía, una especie de “escalera” interna donde ciertas cifras —los llamados números mágicos— otorgan estabilidad especial al núcleo. Estas cifras, como el 2, 8, 20 o 50, han guiado durante décadas la comprensión de cómo se organiza la materia a nivel nuclear. Sin embargo, un nuevo experimento ha demostrado que incluso en los núcleos más equilibrados, estas reglas pueden romperse por completo.

Un equipo internacional de físicos ha observado en el molibdeno-84 (84Mo), un núcleo con igual número de protones y neutrones, un cambio de forma drástico que desafía la estabilidad esperada. El resultado, publicado en la revista Nature Communications, revela que este núcleo altamente simétrico ha dejado de comportarse como se predecía, dando lugar a una región del mapa nuclear completamente nueva. Los autores la denominan Isla de Inversión Isospín-Simétrica, y su descubrimiento marca un giro inesperado en el estudio de la estructura nuclear.

El fin de una regla antigua

Durante años, los números mágicos han sido pilares fundamentales del modelo nuclear. Cuando un núcleo tiene una cantidad “mágica” de protones o neutrones, su forma suele ser esférica y su estructura interna estable. Pero se han descubierto excepciones. En regiones concretas del mapa nuclear, especialmente en núcleos con muchos más neutrones que protones, esa estabilidad desaparece: los núcleos se deforman, como si algo los obligara a adoptar formas nuevas.

Estas zonas se conocen como islas de inversión, porque la distribución de las partículas en el núcleo “se invierte”. En lugar de llenar primero los niveles de energía más bajos, algunos protones o neutrones saltan a niveles superiores, generando formas no esféricas. Lo sorprendente del nuevo hallazgo es que este fenómeno se ha detectado por primera vez en un núcleo completamente simétrico, con igual número de protones y neutrones, algo que nunca antes se había observado.

Un experimento que mira dentro del núcleo

Para comprobar si un núcleo está deformado, se mide cómo se comporta cuando está en un estado excitado, es decir, cuando tiene más energía de lo normal. En este estudio, los investigadores utilizaron un haz de 92Mo acelerado y lo hicieron chocar contra un blanco de berilio. Como resultado, se generó una gran variedad de fragmentos, entre ellos los isótopos 84Mo y 86Mo. Ambos fueron dirigidos a un segundo blanco donde, al colisionar, quedaron en estados excitados por breves instantes.

Los instrumentos empleados fueron clave. El sistema GRETINA, que detecta rayos gamma con alta precisión, y el dispositivo TRIPLEX, que permite medir tiempos de vida de estados excitados con resolución de picosegundos, hicieron posible observar cómo se comportaban los núcleos antes de volver a su estado base. La duración de ese estado y la energía de los rayos emitidos permiten deducir si el núcleo está deformado o no, y en qué medida.

Dos isótopos, una gran diferencia

El análisis reveló algo inesperado: los núcleos de 84Mo y 86Mo, a pesar de estar compuestos por los mismos protones y diferenciarse solo en dos neutrones, tienen comportamientos muy distintos. En 84Mo se midió un tiempo de vida más largo del estado excitado, lo que se traduce en una transición más intensa hacia el estado base. Eso indica que su forma es altamente deformada, como si muchos nucleones —protones y neutrones— se movieran al unísono dentro del núcleo.

Este tipo de comportamiento se produce cuando un grupo numeroso de partículas “salta” a niveles superiores de energía, dejando huecos en los niveles inferiores. Este fenómeno se conoce como configuración intrusa de tipo partícula-agujero, y en este caso, los autores lo interpretan como una configuración 8p-8h, es decir, 8 partículas promovidas y 8 huecos dejados en capas anteriores. Según el artículo original, “el valor de transición eléctrica reducido B(E2) medido para 84Mo concuerda bien con la configuración 8p-8h” .

En cambio, 86Mo mostró una probabilidad de transición mucho menor, lo que indica una forma más esférica y una menor participación de nucleones en saltos energéticos. Esto sugiere que la Isla de Inversión está delimitada con claridad, con 84Mo en su interior y 86Mo en el borde exterior de esta región novedosa.

Por qué este cambio no debería haber ocurrido

Una pregunta evidente es: ¿por qué sucede este fenómeno justo en 84Mo? La respuesta tiene que ver con cómo se organizan los niveles de energía dentro del núcleo, y con un tipo especial de interacción entre tres partículas a la vez. Los modelos teóricos clásicos, que solo consideran interacciones entre pares de nucleones, no pueden explicar la gran deformación observada. Cuando se simula este núcleo sin incluir interacciones de tres cuerpos, los valores calculados están muy por debajo de los medidos experimentalmente.

En cambio, al incorporar estas fuerzas de tres nucleones (3N) en los modelos, los resultados coinciden con los datos reales. Estas interacciones reducen la brecha de energía que separa los niveles y hacen más fácil que ocurran saltos colectivos de nucleones. Como explican los autores, “en ausencia de fuerzas 3N […] se subestima la fuerza E2 por más de un orden de magnitud”.

Una nueva isla en el mapa nuclear

El descubrimiento tiene implicaciones profundas. Hasta ahora, las islas de inversión se habían observado solamente en núcleos con exceso de neutrones, pero no en regiones simétricas como la línea N = Z (igual número de neutrones y protones). El caso de 84Mo representa el primer ejemplo de una Isla de Inversión Isospín-Simétrica, donde el comportamiento colectivo y las configuraciones intrusas involucran por igual a protones y neutrones.

Esta región aparece en el entorno del número mágico 40, pero su existencia muestra que incluso allí los números mágicos pueden perder su efecto estabilizador, y que la dinámica interna del núcleo puede ser mucho más rica de lo que se pensaba. Como resumen los autores, “este estudio revela una situación simétrica en isospín, dando lugar a lo que aquí denominamos Isla de Inversión Isospín-Simétrica” .

Cortesía de Muy Interesante

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