Entre tubos de vacío, haces de protones y láseres afinados con precisión quirúrgica, un grupo internacional de físicos ha conseguido lo que parecía impensable: observar, desde fuera, lo que ocurre dentro de un núcleo atómico. Y lo han hecho sin grandes colisionadores ni instalaciones del tamaño de un estadio. El truco ha estado en usar una molécula peculiar —formada por un átomo de radio y otro de flúor— como si fuera una lupa subatómica. Una lupa que, gracias al comportamiento de los electrones, permite leer mensajes ocultos en el interior del núcleo.
El trabajo, publicado en la revista Science por investigadores del MIT y de instituciones europeas como CERN y KU Leuven, muestra con una claridad sin precedentes que ciertas moléculas no solo pueden “oler” las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino que podrían revelar si, en lo más íntimo de la materia, las leyes de la física tal y como las conocemos se rompen. Una de esas moléculas, el radio monofluoruro (RaF), se ha convertido en un nuevo laboratorio en miniatura para explorar los límites del modelo estándar de la física.
Un colisionador del tamaño de una molécula
En este experimento, el equipo usó moléculas de RaF —que combinan un átomo de radio (225Ra) con uno de flúor— para estudiar un fenómeno esquivo: la distribución de la magnetización dentro del núcleo de radio. Para lograrlo, generaron estas moléculas haciendo impactar protones de alta energía sobre un blanco de carburo de uranio, en condiciones extremas de temperatura, y luego las manipularon usando campos electromagnéticos y láseres muy precisos .
Lo notable es que el entorno molecular actúa como un amplificador natural. Según los autores, la estructura interna de la molécula permite que ciertos electrones del átomo de radio penetren brevemente en su núcleo. Este fenómeno, conocido como “efecto Bohr-Weisskopf”, altera ligeramente la energía de los electrones. Esa alteración se puede medir desde fuera, funcionando como una pista indirecta —pero muy precisa— de lo que ocurre en el interior nuclear.
La clave está en detectar esos diminutos cambios de energía. Como señaló Silviu-Marian Udrescu, coautor del estudio, “la molécula actúa como un colisionador de partículas en miniatura, permitiendo acceder a información que, de otro modo, requeriría instalaciones enormes y costosas”.
Una mirada desde los electrones hacia el núcleo
Los investigadores lograron medir la estructura hiperfina de la molécula de RaF con una precisión sin precedentes, aprovechando un sistema experimental en el laboratorio CRIS del CERN. Allí, enfriaron y atraparon las moléculas para luego hacerlas interactuar con haces láser. El resultado fue la detección de un leve pero significativo corrimiento en la energía de los electrones, algo que solo puede explicarse si estos han interactuado directamente con los protones y neutrones dentro del núcleo.
Esta interacción permitió observar de forma indirecta la llamada “distribución de la magnetización nuclear”, una propiedad que hasta ahora solo se había medido en átomos, pero nunca en una molécula. Tal como se afirma en el artículo, “estos resultados permiten una observación clara del efecto de la distribución de la magnetización nuclear del 225Ra sobre los niveles de energía molecular”.
La importancia de este logro radica en que la estructura hiperfina depende directamente de cómo se distribuyen las corrientes magnéticas dentro del núcleo. Eso convierte a estas moléculas en herramientas idóneas para probar teorías sobre las fuerzas que actúan a escalas subatómicas.
Romper simetrías fundamentales
Pero el verdadero potencial del RaF va mucho más allá de esta medición puntual. Su estructura electrónica lo hace extraordinariamente sensible a posibles violaciones de simetría en las leyes físicas. Por ejemplo, si existiera una diferencia fundamental entre cómo se comporta la materia frente a la antimateria, esa asimetría podría dejar rastros en las interacciones dentro del núcleo, y podrían ser detectables gracias a esta molécula.
En este contexto, los investigadores calcularon varios parámetros que describen la sensibilidad del RaF a este tipo de fenómenos. Entre ellos destacan el campo eléctrico efectivo sobre el momento dipolar del electrón (Eₑff), el momento anapolar nuclear, el momento de Schiff y otras interacciones que violan la paridad y la simetría temporal. Estas magnitudes no pueden medirse directamente, pero su cálculo teórico, contrastado con mediciones como las obtenidas aquí, permite poner límites a teorías que predicen nuevas partículas o fuerzas.
Una herramienta para el futuro
Los autores del estudio no se detienen aquí. Ya están planificando futuros experimentos en los que se pueda manipular la orientación del núcleo de radio dentro de la molécula para estudiar sus propiedades con aún más detalle. Si logran controlar esa orientación, podrían observar interacciones aún más sutiles, como aquellas que predicen ciertas teorías de física más allá del modelo estándar.
El RaF, con su núcleo en forma de pera y su extraordinaria sensibilidad, se perfila como una de las mejores herramientas disponibles para buscar señales de simetrías rotas en la naturaleza. Como concluyen en el artículo, “estos hallazgos representan un avance significativo hacia el uso de moléculas radiactivas para estudios de física fundamental”.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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