Esperimentu berri batek nukleoaren teoria nagusiari buruzko zalantzak sortu ditu

Helio nukleo puztua neurtzean, fisikariek lortu dute protoiak eta neutroiak lotzen dituen indarra hobeto ulertzea.

Protoiak eta neutroiak lotzen dituen indar nuklear bortitzaren neurketa berri batek egia deseroso baten aurretiko zantzuak berresten ditu: oraindik ez dugu sistema nuklear sinpleenen gaineko ulermen teoriko sendorik.

Indar nuklear bortitza probatzeko, fisikariek helio-4aren nukleora jo zuten. Nukleo horrek bi protoi eta bi neutroi ditu. Helio nukleoak kitzikatzen direnean, hazi egiten dira puzten den globo baten gisan, protoietako batek salto egin arte. Harrigarria bada ere, berriki egindako esperimentu batean, helio nukleoak ez ziren puztu aurreikusi bezala: eztanda egin aurretik, espero baino gehiago puztu ziren. Hedapen hori deskribatzen duen neurri bat, forma faktorea izenekoa, aurreikuspen teorikoetakoa halako bi da.

“Teoriak funtzionatu egin beharko luke”, ziurtatzen du Sonia Baccak, Mainzeko Johannes Gutenberg Unibertsitateko fisikari teorikoak eta desadostasun hori deskribatzen duen artikuluaren egileak, Physical Review Letters-en argitaratua. “Zurtuta gaude”.

Ikertzaileek diotenez, puzten den helio nukleoa teoria nuklearra probatzeko minilaborategi moduko bat da, mikroskopio bat bezalakoa delako: kalkulu teorikoen gabeziak areagotu ditzake. Fisikariek uste dute puzte horren berezitasun batzuek sentiberatasun handia eragiten dietela indar nuklearraren osagairik ahulenei ere; faktore horiek oso txikiak direnez, orokorrean ez dira kontuan hartzen. Nukleoa zenbat puzten den ere materia nuklearraren biguntasunaren mende dago. Propietate horrek neutroi izarren bihotz misteriotsuei buruzko informazioa ematen du. Baina materiak neutroi izarretan duen zapalketa azaldu aurretik, fisikariek lehendabizi jakin behar dute zergatik dauden hain egiatik urrun beren iragarpenak.

Bira van Kolck Frantziako Ikerketa Zientifikoko Zentro Nazionaleko teorialari nuklearrak dio Baccak eta bere kideek fisika nuklearreko arazo garrantzitsu bat ikusarazi dutela. Kasu bat aurkitu dute, zeinetan interakzio nuklearren gure ulermenik onena ere motz geratzen den. Marko horri eremuen teoria efektibo kirala deritzo.

“Trantsizio horrek beste egoera batzuetan hain garrantzitsuak ez diren [teoriarekiko] arazoak areagotzen ditu”, ondorioztatu du van Kolckek.

Indar nuklear bortitza

Indar bortitzak lotzen ditu nukleoi atomikoak (protoiak eta neutroiak). Baina indar bortitzaren teoria ez zen garatu nukleoak nola lotzen diren azaltzeko. Lehen aldiz erabili zen protoiak eta neutroiak quark eta gluoi izeneko oinarrizko partikulez eginda daudela azaltzeko.

Urte luzez, fisikoek ez zuten ulertu indar bortitza nola erabili protoien eta neutroien itsaspena ulertzeko. Arazoetako bat indar bortitzaren izaera bitxia zen: gero eta indartsuago bihurtzen da distantzia handitu ahala, pixkanaka gutxitu beharrean. Ezaugarri horrek ohiko kalkulurako trikimailuak erabiltzea eragotzi zien. Partikulen fisikariek sistema jakin bat ulertu nahi dutenean, oro har, indar bat gutxi gorabeherako ekarpen erabilgarriagoetan banatzen dute, ekarpen horiek garrantzitsuenetik hutsalenera ordenatzen dituzte, eta, ondoren, ekarpenik txikienak alde batera uzten dituzte. Indar bortitzarekin ezin zuten halakorik egin.

Geroago, 1990ean, Steven Weinbergek quarken eta gluoien mundua nukleo itsaskorrekin konektatzeko modu bat aurkitu zuen. Trikimailua honetan zetzan: eremuen teoria efektibo bat erabiltzea. Natura tamaina (edo energia) eskala jakin batean deskribatzeko behar bezain zehatza da teoria hori. Nukleo baten portaera deskribatzeko ez duzu quarken eta gluoien berri izan behar. Aldiz, eskala horietan indar eraginkor berri bat sortzen da: indar nuklear bortitza, nukleoien artean pioien trukearen bidez transmititzen dena.

Weinbergen lanak indar nuklear bortitza indar bortitzetik nola ateratzen den ulertzen lagundu zien fisikariei. Gutxi gorabeherako ekarpenen ohiko metodoan oinarritutako kalkulu teorikoak egiteko aukera ere eman zien. Teoria efektibo kirala orain «daukagun teoriarik onena» da, Baccak azaltzen duenez, nukleoen portaera gobernatzen duten indarrak kalkulatzeko.

2013an, Baccak eremuen teoria efektibo hori erabili zuen kitzikatutako helio nukleo bat zenbat haziko zen aurreikusteko. Baina kalkulu hori 1970eko eta 1980ko hamarkadetan egindako esperimentuekin alderatu zuenean, desadostasun nabarmen bat aurkitu zuen. Hark ez zituen neurtutako kopuruak bezain puzte handiak aurreikusi, baina akats esperimentalen barrak handiegiak ziren seguru egoteko.

Nukleo puzgarriak

Arazo baten lehen zantzu haren ondoren, Baccak Mainzko lankideak animatu zituen duela hamarkada batzuetako esperimentuak errepikatzera: tresna sofistikatuagoak zituzten eskura, eta neurketa zehatzagoak egin zitzaketen. Eztabaida horien ondorioz, beste lankidetza bat sortu zen: Simon Kegelek eta bere lankideek lan esperimentala eguneratzea erabaki zuten; Baccak eta bere lankideek, berriz, desadostasun misteriotsu hura ulertzen saiatuko ziren, agertuko balitz.

Esperimentuan, Kegelek eta lankideek nukleoak kitzikatu zituzten, elektroi sorta bat helio hotzeko gas tanga batera jaurtita. Elektroi bat helio nukleo baten irismenaren barruan sartzen bazen, bere gehiegizko energiaren zati bat protoiei eta neutroiei ematen zien, eta horrek nukleoa puztea eragiten zuen. Puzte egoera hori iragankorra zen: nukleoak azkar galtzen zuen protoietako baten kontrola, eta bi neutroi eta protoi libre bat zituen hidrogeno nukleo batean desegiten zen.

Beste trantsizio nuklear batzuetan gertatzen den bezala, emandako energia kantitate espezifiko batek bakarrik ahalbidetuko du nukleoa puztea. Elektroien unea aldatzean eta helioak nola erantzuten zuen behatzean, zientzialariek hedapena neurtu ahal izan zuten. Ondoren, taldeak kalkulu teoriko anitzekin konparatu zuen forma faktorea, hau da, nukleoa puztean izandako aldaketa hori. Teorietako bat ere ez zetorren bat datuekin. Baina, harrigarriki, gehien hurbildu zen kalkuluak indar nuklearraren eredu sinplifikatua erabiltzen zuen, eta ez eremuen teoria efektibo kirala.

“Hori guztiz ustekabekoa izan zen”, dio Baccak.

Beste ikertzaile batzuk ere zurtuta daude. “Esperimentu garbia da, ondo egindakoa. Beraz, konfiantza dut datuetan”, adierazi du Laura Elisa Marcuccik, Italiako Pisako Unibertsitateko fisikariak. Baina, dioenez, esperimentua eta teoria kontraesanean daude, eta, beraz, bietako batek oker egon behar du.

Oreka indarrera ekarriz

Atzera begirakoan, fisikariek hainbat arrazoirengatik susma zezaketen neurketa sinple horrek indar nuklearrari buruzko gure ulermenaren mugak frogatuko zituela.

Hasteko, sistema hori bereziki gogaikarria da. Aldi baterako puztutako helio nukleoa sortzeko behar den energia (hau da, ikertzaileek aztertu nahi duten egoera) protoi bat kanporatzeko behar den energiaren gainetik dago, eta neutroi bat kanporatzeko, aldiz, atalase beraren azpitik dago. Ondorioz, zailagoak dira kalkuluak.

Bigarren arrazoia Weinbergen eremuen teoria efektiboarekin lotuta dago. Fisikariei ekuazioen zati ez hain garrantzitsuak alde batera uztea ahalbidetu zielako funtzionatu zuen. Van Kolckek dioenez, hain garrantzitsuak ez diren eta normalean ezagutzen ez diren zatietako batzuk oso garrantzitsuak dira. Bere esanetan, helioaren neurketa zehatz horrek emandako mikroskopioa oinarrizko errore hori argitzen ari da.

“Ezin naiz kritikoegia izan, kalkulu horiek oso zailak baitira”, gaineratu du. “Ahal duten ondoen ari dira egiten”.

Hainbat taldek, van Kolckenak barne, asmoa dute Baccaren kalkuluak errepikatzeko eta gaizki atera zena aurkitzeko. Litekeena da erantzuna indar nuklearraren hurbilketan termino gehiago sartzea izatea, besterik gabe. Bestalde, litekeena da helio nukleo puzgarri horiek izugarrizko akatsa ikusarazi izana indar nuklearraren gure ulermenean.

“Buru hausgarria ikusarazi genuen, baina zoritxarrez ez dugu osatu”, ondorioztatu du Baccak. “Oraindik ez”.

---

Jatorrizko artikulua:

Katie McCormick (2023). A New Experiment Casts Doubt on the Leading Theory of the Nucleus, Quanta Magazine, 2023ko ekainaren 12a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.

Itzulpena:

UPV/EHUko Euskara Zerbitzua.