Núcleos con forma de pera y viajes en el tiempo imposibles

La forma del núcleo de un átomo viene dada por la simetría de su estado fundamental. Puede ser esférica (monopolar), esferoidal (dipolar), elipsoidal (cuadrupolar), e, incluso, ovoidal (octopolar). Este último caso (predicho en 1982 y observado en 2013) se da en núcleos con un número par de protones y de neutrones, como el radio-224 (88+136) y el radon-220 (86+134). Se publica en Physical Review Letters su observación (indirecta) en el bario-144 (56+88), el primer núcleo con número másico A<200 el="" en="" font="" observa.="" que="" se="">

¿Tiene esto algo que ver con los viajes en el tiempo? Los núcleos octopolares existen porque los nucleones (protones y neutrones) tienen momento dipolar eléctrico. Su origen es la violación de la simetría de inversión temporal (T) por la interacción electrodébil (algo descubierto en 1964). Un viaje en el tiempo (curva espaciotemporal cerrada) que garantice que nada cambie en el universo requiere que la simetría T se conserve. Pero no lo hace. Cualquier violación de esta simetría implica que los viajes en el tiempo siempre cambian algo. Para muchos esto implica que los viajes en el tiempo no pueden existir.

El nuevo artículo es B. Bucher et al., “Direct Evidence of Octupole Deformation in Neutron-Rich Ba-144,” Phys. Rev. Lett. 116: 112503 (17 Mar 2016), doi:10.1103/PhysRevLett.116.112503, arXiv:1602.01485 [nucl-ex], más información en Jessica Thomas, “Synopsis: Nucleus is Surprisingly Pear Shaped,” Physics, 17 Mar 2016.

La primera observación experimental del fenómeno es de L. P. Gaffney et al. (ISOLDE), “Studies of pear-shaped nuclei using accelerated radioactive beams,” Nature 497: 199–204 (09 May 2013), doi: 10.1038/nature12073, más información en C. J. (Kim) Lister, Jonathan Butterworth, “Nuclear physics: Exotic pear-shaped nuclei,” Nature 497: 190–191 (09 May 2013), doi: 10.1038/497190a. La predicción teórica es de G.A. Leander, R.K. Sheline, …, A.J. Sierk, “The breaking of intrinsic reflection symmetry in nuclear ground states,” Nuclear Physics A 388: 452-476 (1982), doi: 10.1016/0375-9474(82)90471-7.

Más información general en P A Butler, “Octupole collectivity in nuclei,” Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 43: 073002 (01 Jun 2016), doi: 10.1088/0954-3899/43/7/073002, y en Rémi N. Bernard, Luis M. Robledo, Tomás R. Rodríguez, “Octupole correlations in the nucleus 144Ba described with symmetry conserving configuration mixing calculations,” arXiv:1604.06706 [nucl-th].

Los viajes en el tiempo (hacia el pasado con retorno al presente) son imposibles. Por supuesto, en la ciencia ficción se afirma que ninguna ley física prohíbe su existencia. Lo que sería cierto si todas las leyes físicas son invariantes al cambiar la flecha del tiempo. Pero esto es falso, rotundamente falso. La interacción electrodébil viola la simetría de inversión temporal (T). Por tanto, el modelo estándar de las partículas también lo hace y por ende toda la física conocida.

Recuerda que toda la física conocida (olvidemos la especulativa) muestra una simetría CPT exacta. Todo proceso físico posible es idéntico e igualmente posible si se cambian las partículas por sus antipartículas (conjugación de carga, C), y al mismo tiempo se refleja todo el universo en un espejo (simetría de paridad, P), y al mismo tiempo se invierte la dirección de la flecha del tiempo (inversión temporal, T). La combinación de las tres simetrías discretas C, P y T se preserva en todos los procesos físicos. Sin embargo, en 1957 se observó la violación de la simetría P usando átomos de cobalto-60 (luego también de CT). Y en 1964, como ya he indicado, se observó la violación de la simetría CP usando una partículas llamadas kaones neutros (luego también T).

Los núcleos pesados cuyo estado fundamental es octopolar son muy interesantes porque permiten estudiar el momento dipolar eléctrico (EDM) de los nucleones (protones y neutrones). Algo muy difícil con nucleones o con núcleos ligeros. El origen del EDM es que la interacción electrodébil viola la simetría discreta CP, que implica la violación de la simetría T. Estas violaciones están en el origen de la asimetría materia-antimateria primordial.

Bajo un campo eléctrico externo, la energía de un estado se desplaza cierta cantidad Δe = d·E + E·δ·E, donde d es el EDM y δ es el momento dipolar inducido. En moléculas de geometría asimétrica (como la molécula de agua) el fenómeno es fácil de entender, incluso si la simetría T se conserva. Pero en un sistema con simetría esférica (como un protón o un neutrón), el valor medio del EDM debe ser nulo si el sistema es invariante ante las simetrías P y T. Por contra, la observación de un EDM no nulo implica que alguna de estas simetrías es violada.

Medir el EDM de una partícula es muy difícil porque es muy pequeño comparado con el momento dipolar magnético (MDM) debido al espín. La inversión el tiempo (T) provoca que el MDM cambie de dirección, pero no afecta al EDM. Por eso se pueden usar núcleos pesados para medir el EDM de un nucleón de forma indirecta. Para ello hay que usar núcleos con ciertos números concretos de protones o de neutrones tales como 56, 88, 134, etc. El radio-224 tiene 88 protones y el radon-220 tiene 134 neutrones. Para medir el EDM lo ideal sería un núcleo cuyo número de protones y de neutrones estuviera en dicho listado. El ideal es el bario-144, que tiene 56 protones y 88 neutrones (recuerda que no existe ningún isótopo del radio, que tiene 88 protones, que tenga 56 neutrones, aunque sí existe uno con 134 neutrones). Por cierto, en teoría el núcleo del xenón-140, con 54 protones y 86 neutrones, también debería ser octopolar (tener forma de pera), pero no está confirmado de forma experimental.

Por todo ello, la observación de que el bario-144 tiene un núcleo con estado fundamental octopolar es muy importante a la hora de estudiar con precisión los EDM de los nucleones. Por supuesto, el nuevo artículo publicado en Physical Review Letters no presenta ninguna estimación del EDM. Aún así, se considera un importante avance para el futuro diseño de experimentos específicos en este sentido.

Hay que recordar que la medida del EDM de los nucleones no solo nos aportará información sobre la violación de simetrías discretas en el modelo estándar, y con ellas información sobre el origen de la asimetría materia-antimateria primordial (que requiere más violación CP (o T) de la que parece presentar el modelo estándar). También nos dará información sobre la posible existencia de física más allá del modelo estándar (BSM); tanto la supersimetría como otras teóricas BSM predicen un EDM mayor que el modelo estándar. Medir el EDM permite una búsqueda indirecta de física BSM.

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