El núcleo de un átomo está formado por A nucleones, N neutros (neutrones) y Z cargados (protones), con A = N+Z. La interacción nuclear fuerte entre pares de nucleones es una interacción efectiva, resultado de la interacción fundamental entre quarks descrita por la cromodinámica cuántica (QCD). En los núcleos pesados (carbono, hierro, plomo, …) la interacción neutrón-protón (np) está favorecida respecto a la protón-protón (pp) debido a las llamadas correlaciones de corto alcance (SRCs), siendo la predicción teórica para su cociente Pnp/pp = (N Z)/(Z (Z − 1)/2). Se publica en Nature la primera medida de dicho cociente para el tritio (hidrógeno-3) y el helio-3; para sorpresa de propios y extraños el cociente entre las np-SRCs y nc-SRCs resulta ser Rnp/pp = 4.34+0.49−0.40, que es más del doble de la predicción teórica, Rnp/pp/Pnp/pp = 2.17+0.25−0.20. No se sabe el porqué de esta inesperada discrepancia a casi 10 sigmas; pero no puede estar relacionada con el cociente N/Z, pues para el helio-3 (N/Z = 1.5) su valor es similar al del plomo-208 (N/Z = 1.54), que sigue la predicción teórica. En el artículo se especula que la causa podría ser la separación media entre nucleones, que en el helio-3 es mucho mayor que en los núcleos más pesados; de ser así habría que incorporar una contribución específica en los modelos teóricos de las SRCs. Una nueva discrepancia entre teoría y experimento en física nuclear.
Para estudiar la interacción entre nucleones en un núcleo (para medir las SRCs) hay que bombardear los núcleos con electrones de alta energía. La interacción electrón-protón (ep) se caracteriza por el parámetro x = Q2/(2 M ν), donde Q2 es el cuadrado del (cuadri)momento lineal transferido, ν es la energía transferida y M es la masa del protón. Para un protón estacionario, la interacción ep es elástica cuando x = 1, siendo inelástica cuando se transfiere una gran cantidad de energía, x < 1 (para Q2 fijo), en cuyo caso el protón pasa a un estado excitado o se desintegra. La transferencia de muy poca energía (x > 1) está prohibida por la cinemática para un protón en reposo; pero se pueden usar protones en movimiento, en la llamada interacción cuasielástica con medidas inclusivas A(e, eʹ)2H. Tanto en el SLAC como en el Jefferson Lab (JLab) se han realizado medidas de la dispersión electrón-protón en núcleos pesados para x > 1.4 con Q2 > 1.4 GeV2; estas medidas se han comparado con el deuterio (hidrógeno-2) ofreciendo una estimación del cociente Rnp/pp para medidas A/2H con x > 1.4. Sus resultados están de acuerdo con la predicción teórica Pnp/pp (dentro de la gran franja de incertidumbre de las medidas), indicando que el valor medio de las pp-SRCs es de solo el (2.9 ± 0.5) % de las np-SRCs, luego la interacción neutrón-protón es la dominante en la interacción nuclear fuerte dentro del núcleo. El nuevo artículo del JLab muestra que esto no es así para núcleos ligeros con A = 3. Futuros estudios teóricos tendrán que desvelar la razón.
El artículo es S. Li, R. Cruz-Torres, …, X. Zheng, «Revealing the short-range structure of the mirror nuclei 3H and 3He,» Nature 609: 41-45 (31 Aug 2022), doi: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05007-2; más información divulgativa en la nota de prensa de Kandice Carter, «Particles pick pair partners differently in small nuclei,» JLab News, 31 Aug 2022. Por cierto, estos experimentos también permiten estudiar la presencia de estados ligados neutrón-neutrón metaestables; se descarta su presencia, como se mostró en D. Nguyen, C. Neuburger, …, O.Hen, «Search for a bound di-neutron by comparing 3He(e,e’p)d and 3H(e,e’p)X measurements,» Physics Letters B 831: 137165 (10 Aug 2022), doi: https://doi.org/10.1016/j.physletb.2022.137165, arXiv:2109.14524 [nucl-ex] (29 Sep 2021).
Los experimentos con A = 3 del nuevo artículo se realizaron en 2018 en el Jefferson Lab para la interacción cuasielástica con x ≳ 1. Se usaron haces de electrones con una energía de 4.332 GeV en dos configuraciones del ángulo de scattering que conducen a Q2 ≥ 1.4 GeV2 (experimento E12-11-112) y con Q2 ≈ 1.9 GeV2 (experimento E12-14-011). La energía de los electrones tras la interacción con los núcleos se miden mediante un espectrómetro de alta resolución. En esta figura a la izquierda se presenta el cociente entre las secciones eficaces por nucleón para la interacción comparada 3H/2H y 3He/2H para Q2 = 1.4 GeV2; a la derecha aparece el cociente de las secciones eficaces para la interacción comparada 3H/3He con Q2 = 1.4 GeV2 y Q2 = 1.9 GeV2. En ambos casos se observa un plateau para 1.4 ≤ x ≤ 1.7, que es la región que se usa para estimar el cociente SRC a partir de los datos 3He(e, eʹp)/3H(e, eʹp).
La física nuclear de los «núcleos espejo» siempre nos ofrece sorpresas; ahora con los más ligeros. Las correlaciones de corto alcance (SRCs) que permiten caracterizar la interacción fuerte efectiva dentro de los núcleos son muy difíciles de calcular usando la QCD, por lo que se requieren modelos teóricos aproximados (o fenomenológicos). Con seguridad en los próximos años se desarrollarán nuevos modelos que expliquen la discrepancia observada. Los aficionados a la física de altas energías muchas veces nos olvidamos de que la física nuclear de bajas energías aún oculta muchas incógnitas.