“Protones y neutrones enamorados”, el futuro de las estrellas
Investigadores de la Universidad de Granada en España midieron las correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones, obteniendo información directa sobre la fuerza nuclear a esas cortas distancias, las altas velocidades de los choques, permitirían determinar el futuro de una estrella. Para lograrlo usaron un método que analiza las vibraciones cuánticas de los protones y neutrones en el interior del núcleo. A esto lo nombraron “protones y neutrones enamorados” por los investigadores del Grupo de Física Hadrónica del Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada (UGR) que han estado al frente de este proyecto, junto al laboratorio Lawrence Livermore de California en Estados Unidos.
En astrofísica es clave saber y conocer la ecuación de estado de la materia, es decir, la energía en función de la densidad, para las altas densidades existentes en el interior de las estrellas de neutrones y otros objetos estelares densos. En esas densidades extremas, las correlaciones de corto alcance entre protones y neutrones pueden tener un efecto crucial en la evolución de la estrella, el estudio de esas correlaciones permiten tener información directa acerca de la fuerza nuclear a cortas distancias, algo que no se conoce. Ya se hicieron experimentos en el acelerador JLAB en Virginia (Estados Unidos) para observar estos protones de alta velocidad.
Los núcleos atómicos (los conjuntos de protones y neutrones), comúnmente se llaman nucleones, se mueven a velocidades que normalmente no llegan a 70.000 kilómetros por segundo, es decir, menor al 25% de la velocidad de la luz, pero se tiene que tener en cuenta el principio de incertidumbre de la física cuántica, ya que las velocidades de las partículas aumentan al disminuir el tamaño de la región de confinamiento. Por la fuerza nuclear, dos nucleones pueden enfrentarse y chocar de manera violenta, aumentando a velocidades muy superiores, que pueden alcanzar el 70% de la velocidad de la luz, casi triplicando su velocidad máxima. La fuerza de unión de los nucleones es tan potente que para despegar un protón o un neutrón se deberían alcanzar temperaturas de millones de grados, típicas del interior de una estrella masiva.
La investigación confirma la dominancia de las correlaciones de alta velocidad entre pares protón-neutrón (pn) frente a los pares protón-protón (pp). Esta es 18 veces mayor; también se ha confirmado que esta dominacia de pn sobre pp está producida fundamentalmente por la denominada “fuerza tensorial”. Esta es una fuerza nuclear que no actúa a lo largo de la línea que “une” a las dos partículas. La fuerza tensorial aparece sólo entre partículas de espín +1/2 y es similar a la fuerza entre dos imanes, dependiente de la orientación de sus polos N y S. Pero, mientras que en la fuerza magnética polos iguales se repelen y polos opuestos se atraen, en la fuerza nuclear ocurre justo lo opuesto.
En este proyecto se ha utilizado la representación de la fuerza nuclear más precisa hasta la fecha, que se desarrolló recientemente dentro del mismo grupo de investigación. La interacción nuclear de Granada ha permitido resolver de forma novedosa, y con un método muy sencillo, la ecuación que describe el choque de dos nucleones en el interior de un núcleo, que fue propuesta por los físicos H. Bethe y J. Goldstone en los años 50.