Un equipo de investigación liderado por la Universidad Técnica de Darmstadt, en colaboración con el Centro Helmholtz para Investigación de Iones Pesados (GSI), ha realizado un avance significativo en la comprensión de la teoría cuántica a través del estudio de núcleos atómicos. Sus hallazgos, publicados en Nature Physics, confirman predicciones teóricas sobre el comportamiento de electrones en campos magnéticos extremadamente intensos, como los que se encuentran cerca de núcleos atómicos pesados.
Los núcleos atómicos, similares al campo magnético de la Tierra, pueden presentar intensidades trillones de veces superiores en la superficie de elementos pesados como el bismuto o el plomo. Esta fuerza magnética extrema plantea interrogantes sobre cómo se comportan los electrones en tales condiciones. El estudio se centra en iones similares al hidrógeno, que son núcleos atómicos con un único electrón asociado, lo que facilita su descripción teórica.
Avances en el estudio de núcleos pesados
El equipo de investigación utilizó el isótopo de bismuto Bi-208, un candidato adecuado debido a su estructura nuclear diferente en comparación con el isótopo estable Bi-209. Este isótopo presenta un campo magnético aún más fuerte al tener un neutrón menos. Para llevar a cabo el experimento, se realizó una reacción nuclear que permitió aislar el ion de hidrógeno del Bi-208, lo que implicó expulsar 82 electrones del núcleo original de 83.
Los iones resultantes fueron acelerados a velocidades cercanas al 72% de la velocidad de la luz y se almacenaron en un anillo experimental, conocido como ESR. El principio de medición se basa en la inversión del campo magnético del electrón mediante un láser, que proporciona la energía necesaria para ese cambio. Este proceso de inversión ocurre cuando el ion absorbe un fotón del láser, que luego es detectado al ser emitido de nuevo por el electrón tras un breve periodo.
A pesar de las dificultades inherentes a la generación de un número limitado de iones, el equipo logró optimizar el experimento, empleando datos de medidas anteriores en el centro de investigación CERN para predecir con alta precisión la energía de transición del isótopo Bi-208. Los resultados experimentales obtenidos se alinean de manera notable con las predicciones teóricas, lo que refuerza la validez de la electrodinámica cuántica (QED) en la descripción de sistemas atómicos en condiciones extremas.
Este estudio no solo ofrece confirmaciones sobre teorías existentes, sino que también abre nuevas posibilidades para explorar la influencia de la estructura nuclear en otros estados de carga de isótopos de bismuto y potencialmente de otros elementos. La investigación en este campo, a la vanguardia de la física moderna, se posiciona como un testimonio del esfuerzo científico por desentrañar los misterios del universo a nivel subatómico.
