Un sensor diseñado para observar el cosmos profundo revela el corazón de un átomo

Un grupo de científicos empleó un instrumento diseñado originalmente para estudiar enormes objetos celestes en el cosmos para investigar el mundo en una escala mucho más pequeña: con este instrumento, denominado cámara Compton, lograron sondear el corazón de un átomo. Los especialistas creen que los hallazgos podrían facilitar una comprensión más profunda de los principios fundamentales que determinan las características de la materia.

Un equipo de expertos japoneses liderado por investigadores del Instituto Kavli de Física y Matemáticas del Universo, afincado en la Universidad de Tokio, ha utilizado dispositivos originalmente destinados a la observación astronómica para capturar transformaciones en la estructura de los núcleos atómicos. El nuevo estudio fue publicado recientemente en la revista Scientific Reports.

Revelando misterios atómicos

Sabemos que un núcleo atómico está formado por protones y neutrones. En la naturaleza existen aproximadamente 270 núcleos estables, aunque este número se incrementa hasta 3.000 si tenemos en cuenta los núcleos inestables. La inestabilidad nuclear es una propiedad que aparece cuando existe un exceso de partículas en el núcleo atómico: esta característica lleva al átomo a emitir partículas y radiación, buscando alcanzar cierta estabilidad.

De acuerdo a una nota de prensa, investigaciones recientes sobre núcleos inestables han descubierto fenómenos que no se observan en núcleos estables, incluidas anomalías en los niveles de energía y la desaparición o surgimiento de números mágicos. En física nuclear, un número mágico se relaciona con una cifra específica de nucleones, que pueden ser protones o neutrones, localizados dentro de un núcleo atómico para brindar mayor estabilidad al mismo: 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 son considerados números mágicos.

Los métodos convencionales para estudiar estos cambios estructurales se han visto limitados por la dificultad de equilibrar la sensibilidad y la eficiencia de detección, al momento de analizar las características electromagnéticas de las variaciones en el interior de los núcleos atómicos. Ahora, los científicos a cargo del nuevo estudio tomaron una cámara Compton, diseñada originalmente para estudiar el cosmos profundo, y la aplicaron a la observación de estas modificaciones en los núcleos atómicos.

Los rayos gamma arrojan luz sobre los núcleos inestables

La cámara aprovecha el denominado efecto o dispersión Compton, que consiste en el incremento de la longitud de onda de un fotón cuando colisiona con un electrón libre y sacrifica parte de su energía. "El equipo de investigación demostró que la cámara Compton sirve como un polarímetro eficaz para la espectroscopia nuclear, revelando información sobre la estructura nuclear", indicó a Space.com el científico Tadayuki Takahashi, líder del equipo de investigadores.

¿En qué medida esto sirve para saber más sobre la estructura atómica? Como un núcleo atómico inestable intentará alcanzar la estabilidad expulsando un protón o un neutrón, en un proceso conocido como desintegración radiactiva, este mecanismo alejará la energía del átomo en forma de fotones. Los rayos gamma son una especie de fotón, y pueden ser captados por la cámara Compton: al observarlos, los científicos pueden comprender mejor la transición entre inestabilidad y estabilidad en el núcleo del átomo, ayudando a decodificar algunos de esos extraños fenómenos atómicos que se han apreciado en estudios previos.

Además, la cámara Compton incluye un sensor especializado para medir la polarización de los rayos gamma de núcleos inestables, brindando una alta eficiencia de detección y precisión para determinar la posición de los rayos gamma. Este rango elevado de precisión hace posible analizar propiedades de las partículas dentro del átomo, permitiendo a los científicos revelar aspectos hasta hoy desconocidos.

Referencia

Demonstration of nuclear gamma-ray polarimetry based on a multi-layer CdTe Compton camera. T. Takahashi, S. Go et al. Scientific Reports (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-024-52692-2