Investigadores de la Technische Universität Darmstadt, junto con el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear y otros centros, han logrado identificar por primera vez candidatos para excitaciones dipolares toroidales en el núcleo del isótopo 58Ni. Este hallazgo, publicado en la revista Physical Review Letters, representa un avance significativo en la comprensión de estos modos excitatorios, que se caracterizan por una distribución toroidal de corrientes, formando estructuras similares a vórtices.
Las excitaciones dipolares toroidales son un fenómeno único que se ha estudiado en diversos sistemas físicos, desde núcleos atómicos hasta metamateriales. Un ejemplo clásico que ilustra este fenómeno son los anillos de humo, visibles cuando se expulsan a través de una abertura estrecha. Aunque las teorías físicas han predicho la existencia de estos modos en núcleos atómicos, su observación ha resultado ser un desafío considerable.
Avances en la investigación nuclear
Los coautores del estudio, Peter von Neumann-Cosel y Valentin O. Nesterenko, comentan que el flujo toroidal es un fenómeno que aparece en múltiples campos de la física, incluyendo la física de estado sólido y las colisiones de iones pesados. Este flujo se asemeja a un anillo vórtice generado por una corriente que circula en la superficie de un toro, y se presenta de forma natural debido a la turbulencia en diversos fluidos y gases clásicos.
A lo largo de los últimos 50 años, se han realizado predicciones teóricas sobre la existencia del modo toroidal en núcleos atómicos, y se han discutido las firmas tentativas de la resonancia dipolar toroidal en dispersión inelástica de partículas alfa. Sin embargo, la observación experimental de estos modos en reacciones nucleares ha sido complicada, principalmente por la falta de métodos confiables para su detección.
Recientes estudios han evaluado los estados dipolares de baja energía en núcleos utilizando técnicas de dispersión de fotones, electrones y protones de alta precisión. Estos estudios han revelado que ciertos estados dipolares, que antes se creían de carácter dipolar magnético (M1), son en realidad de tipo dipolar eléctrico (E1) con propiedades inusuales que se asemejan a las de los modos toroidales.
El trabajo realizado por von Neumann-Cosel, Nesterenko y sus colegas se basa en investigaciones recientes sobre excitaciones toroidales en núcleos. Al comparar experimentos de dispersión de fotones, electrones y protones en el núcleo del 58Ni, los investigadores han podido identificar candidatos para excitaciones en este núcleo en particular. Se ha subrayado la importancia de la resolución energética alta en los experimentos para discernir las excitaciones relevantes.
Los hallazgos de este estudio podrían tener implicaciones valiosas para la investigación futura, especialmente en la comprensión de fenómenos observados en núcleos pesados, donde el número de neutrones suele superar al de protones. Esto se debe a que la unión de protones se ve reducida por la fuerte repulsión coulombiana entre ellos. En estos núcleos, se encuentra una estructura de resonancia de baja energía en la fuerza dipolar eléctrica que impacta en los cálculos de redes de reacciones astrofísicas, que intentan modelar la nucleosíntesis de elementos pesados.
Los investigadores planean realizar un nuevo experimento en 2025 en el acelerador de electrones S-DALINAC, situado en el Instituto de Física Nuclear de la Universidad Técnica de Darmstadt. Este trabajo tiene como objetivo demostrar que la dispersión de electrones proporciona la firma más clara para las excitaciones toroidales, y se buscará probar la hipótesis de que la estructura de baja energía observada se debe a excitaciones dipolares eléctricas toroidales.
