Un ambicioso experimento internacional marca el inicio de un nuevo capítulo en la física nuclear: llegan los "átomos muónicos"
Un nuevo estudio revela que los efectos de polarización nuclear en átomos muónicos son insignificantes, lo que abre la puerta a experimentos de precisión sobre la estructura del núcleo atómico.
Un ambicioso experimento internacional marca el inicio de un nuevo capítulo en la física nuclear: llegan los "átomos muónicos". Fuente: Midjourney / E. F.
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
21.03.2025
A veces, los grandes descubrimientos científicos empiezan con una pregunta pequeña. ¿Qué pasaría si, en lugar de un electrón, un átomo estuviera orbitado por una partícula más pesada? Esta simple idea llevó al desarrollo de un campo de estudio apasionante: el de los átomos muónicos, donde el electrón es sustituido por un muón, una partícula similar pero con unas 200 veces más masa. Lo que parecía una rareza exótica, hoy vuelve al centro de la investigación internacional con un experimento que podría transformar nuestra comprensión del núcleo atómico.
El artículo publicado en Physical Review Letters por investigadores de la Universidad de Queensland y el Instituto Max Planck ha dado un giro inesperado al estudio de estos sistemas. Al demostrar que el efecto de polarización nuclear es mucho más pequeño de lo que se temía, han despejado un obstáculo clave para futuras investigaciones. Como se señala en el propio trabajo, "el efecto de polarización nuclear puede ser descartado como una limitación significativa en los estudios de estructura hiperfina de átomos muónicos pesados".
Qué son los átomos muónicos y por qué son especiales
Los átomos muónicos se forman cuando un muón, una partícula cargada negativamente, ocupa el lugar de un electrón alrededor del núcleo. Al tener mucha más masa que un electrón, el muón se sitúa mucho más cerca del núcleo. Esta cercanía hace que interactúe con él de forma mucho más intensa, permitiendo obtener información extremadamente precisa sobre la estructura interna del núcleo atómico.
Uno de los campos donde esta propiedad resulta crucial es el estudio de la estructura hiperfina, es decir, el pequeño desdoblamiento de los niveles de energía de los átomos debido a interacciones entre el momento magnético del núcleo y el campo magnético generado por el muón. A mayor cercanía, mayor sensibilidad a esas interacciones.
Hasta ahora, una de las mayores preocupaciones en este tipo de estudios era la polarización nuclear: un efecto por el cual el núcleo se "deforma" ligeramente por la presencia del muón. Se temía que este fenómeno introdujera una distorsión difícil de medir con precisión, lo que limitaba la utilidad de los átomos muónicos en experimentos de alta precisión.
Corrección por polarización nuclear: estos diagramas muestran cómo un muón interactúa con el núcleo atómico, afectando levemente su estructura energética interna. Fuente: Physical Review LettersLa importancia de eliminar incertidumbres
Lo que ha logrado este trabajo es mostrar, mediante dos métodos independientes, que el efecto de polarización nuclear es notablemente pequeño en los átomos muónicos de elementos pesados como el talio y el bismuto. Esto significa que no interfiere significativamente en la medición de los niveles hiperfinos, y por tanto, no representa un obstáculo para futuras investigaciones.
La primera metodología utilizada fue un enfoque semiexperimental, que comparó los resultados de los átomos muónicos con los de iones hidrogenoides (átomos con un solo electrón) del mismo núcleo. A partir de esta comparación, los autores extrajeron el valor del efecto de polarización, encontrando que este representa menos del 10 % del desdoblamiento total hiperfino en los casos estudiados.
Según el paper: “Los valores extraídos para la polarización nuclear son inferiores al 10 % del tamaño de las constantes hiperfinas medidas”. En algunos casos, los valores son incluso dos órdenes de magnitud menores, una diferencia crucial que reduce el margen de error en las mediciones.
Aunque la materia que nos rodea está formada por átomos con electrones, en el mundo subatómico es posible sustituirlos por muones, creando átomos muónicos con propiedades únicas. Fuente: Midjourney / E. F.Cómo se calculó el efecto de polarización nuclear
Además del método comparativo con iones hidrogenoides, el equipo utilizó un segundo enfoque basado en un modelo semianalítico, que permite calcular directamente la contribución de la polarización nuclear al desdoblamiento hiperfino. Este modelo toma en cuenta aspectos como la forma del núcleo, los niveles de excitación nuclear y los efectos cuánticos de interacción con el muón.
Aunque este segundo método proporciona un valor inferior al semiexperimental, los autores aclaran que el resultado debe tomarse como una estimación de orden de magnitud, dado que el modelo simplifica algunas propiedades del núcleo. Aun así, sus valores coinciden en el mismo rango de baja contribución.
De hecho, afirman: “Nuestra aproximación semianalítica indica que las contribuciones de polarización nuclear son significativamente menores, situándose en torno al 0,1 % del efecto Bohr-Weisskopf”. Este último es otro efecto nuclear importante que sí afecta al desdoblamiento hiperfino, por lo que el contraste entre ambos es especialmente revelador.
Los átomos electrónicos, formados por electrones orbitando un núcleo, son la base de la materia tal como la conocemos. En contraste, los átomos muónicos reemplazan el electrón por un muón, una partícula mucho más masiva que altera su estructura y propiedades cuánticas. Fuente: Midjourney / E. F.
Qué significa esto para la física nuclear
Este resultado tiene un gran impacto: habilita una nueva generación de experimentos con átomos muónicos, que ahora pueden enfocarse en otras propiedades del núcleo sin preocuparse por la interferencia de la polarización. Es decir, se puede estudiar con mayor precisión la distribución del momento magnético nuclear y otras propiedades fundamentales.
Uno de los centros que ya ha comenzado este tipo de estudios es el Paul Scherrer Institute, en Suiza, donde existe un programa experimental centrado en átomos muónicos pesados. Gracias a este trabajo, el campo queda libre para investigaciones que antes se consideraban demasiado complejas o poco fiables por la falta de control sobre este efecto.
En palabras de los autores: “Sugerimos que los efectos de polarización nuclear pueden ser descartados, y que la estructura hiperfina de los átomos muónicos puede estudiarse experimentalmente para mejorar nuestro conocimiento sobre la distribución de magnetización nuclear”.
Átomos exóticos, física de precisión
Además del avance técnico, el uso de átomos muónicos también tiene implicaciones en la búsqueda de nueva físicamás allá del modelo estándar. Su sensibilidad a los detalles del núcleo y su interacción con otras partículas los convierte en herramientas de alta precisión para detectar pequeñas desviaciones en las predicciones teóricas actuales.
La física de partículas, en los últimos años, se ha volcado hacia estudios de precisión en sistemas atómicos exóticos, como los átomos muónicos o los iones pesados altamente cargados. En este contexto, el presente estudio representa un paso crucial al reducir una fuente de incertidumbre que llevaba décadas dificultando la interpretación de los resultados.
El estudio también confirma que el modelo utilizado es aplicable a distintos isótopos pesados, como el talio-203, talio-205 y bismuto-209, lo que sugiere que podría extenderse a otros elementos con propiedades similares. Este tipo de confirmación es importante en física experimental, donde la reproducibilidad es esencial.
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Referencias
J. Vandeleur, G. Sanamyan, O. R. Smits, I. A. Valuev, N. S. Oreshkina, J. S. M. Ginges. Smallness of the Nuclear Polarization Effect in the Hyperfine Structure of Heavy Muonic Atoms as a Stimulus for Next-Generation Experiments, Physical Review Letters, 2025. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.093003
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