Un equipo internacional de investigadores, que incluye miembros del Instituto Kavli para la Física y Matemáticas del Universo (Kavli IPMU, WPI), ha realizado un avance significativo en la física atómica al observar por primera vez «iones muónicos altamente cargados», una nueva clase de sistemas atómicos exóticos, en un experimento realizado en fase gaseosa. Este estudio fue publicado en línea el 16 de junio en la revista Physical Review Letters.
La observación resalta las capacidades de los avanzados microcalorímetros de sensores de transición superconductores (TES) en la revelación de fenómenos atómicos previamente inaccesibles. Los átomos normales, que consisten en un núcleo y electrones vinculados, son eléctricamente neutros. Sin embargo, al eliminar muchos electrones, el átomo se convierte en un ion altamente cargado. Estos átomos cargados son herramientas valiosas para la investigación en diversos campos, incluyendo la física fundamental, la fusión nuclear, la ciencia de superficies y la astronomía.
Avances en el estudio de plasmas y la física de partículas
Los investigadores se centran especialmente en los plasmas, gases ionizados compuestos de iones positivos y electrones, que se encuentran en entornos de alta energía como el sol y las estrellas. Estudiar iones altamente cargados en plasmas ayuda a profundizar en nuestra comprensión de la materia bajo condiciones extremas. Aunque el acceso directo a estos entornos es imposible, el análisis de los rayos X característicos emitidos por iones altamente cargados ofrece valiosos conocimientos sobre su estructura y comportamiento.
El equipo se centró en iones muónicos altamente cargados, que contienen partículas elementales cargadas negativamente llamadas muones. Investigar estos iones podría abrir nuevas avenidas de investigación. La dirección del equipo estuvo a cargo del profesor asociado Takuma Okumura, de la Universidad Metropolitana de Tokio, junto con el científico jefe Toshiyuki Azuma, del RIKEN y del Centro Internacional para Sistemas de Medición de Campos Cuánticos para Estudios del Universo y Partículas (QUP) en la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK).
El equipo también incluyó colaboradores de múltiples instituciones, como RIKEN, KEK, el Instituto Nacional de Ciencia de Fusión y varias universidades japonesas, lo que refleja la colaboración internacional en la investigación científica avanzada.
Los iones muónicos altamente cargados se forman cuando un muón negativo, un primo más pesado del electrón, es capturado por un átomo. Durante el proceso de cascada muónica, la mayoría de los electrones ligados son expulsados, dejando solo uno o unos pocos en el átomo. Aunque los modelos teóricos habían predicho la existencia de iones muónicos altamente cargados, como configuraciones similares al hidrógeno, helio y litio, nunca se habían observado experimentalmente debido a sus cortas vidas y la falta de técnicas espectroscópicas suficientemente sensibles.
Los experimentos se llevaron a cabo en la línea D2 de la Instalación Experimental de Ciencia de Muones (MUSE) del Complejo de Investigación de Aceleradores de Protones de Japón (J-PARC) en Tokai-mura, Ibaraki. MUSE es capaz de producir los haces de muones de baja energía más intensos del mundo, lo que permite la generación de iones muónicos altamente cargados. Para detectar estos iones, el equipo mejoró su configuración experimental mediante el uso de un microcalorímetro TES, un detector de rayos X desarrollado para espectroscopía de alta precisión, incluyendo observaciones de rayos X cósmicos.
Utilizando átomos de argón (Ar) como objetivos, los espectros de rayos X medidos coincidieron con las predicciones teóricas. El pico observado en el lado de alta energía se emitió desde un ion muónico argón altamente cargado «similar al hidrógeno» (μAr¹⁶⁺) con un electrón vinculado, mientras que tres picos en el lado de baja energía correspondían a rayos X característicos emitidos por iones «similares al helio» μAr¹⁵⁺ y «similares al litio» μAr¹⁴⁺ con dos o tres electrones vinculados, respectivamente.
La exitosa observación de iones muónicos altamente cargados demuestra la efectividad de los métodos del equipo y allana el camino para una investigación ampliada en sistemas atómicos muónicos.
Más información:
T. Okumura et al, Few-Electron Highly Charged Muonic Ar Atoms Verified by Electronic K X Rays, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.243001. En arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2407.07977
