En el artículo de hoy vamos a hablar sobre la existencia de unos sistemas físicos muy curiosos: los hipernúcleos. Esto suena a núcleos enormes ¡pero no! No os dejéis engañar. Pero entonces, ¿qué son? Vamos al lío.
Para hablar de núcleos es importante hablar de nucleones, y para hablar de nucleones nos iremos a su composición fundamental: los quarks.
De acuerdo con el modelo estándar (y todas las evidencias experimentales hasta ahora), tenemos tres familias (o generaciones) de quarks, cada una compuesta por dos quarks: uno con carga +2/3 y otro con carga -1/3 (midiendo en referencia a la carga del electrón, |e|). La primera familia la forman los quarks up (u) y down (d), la segunda familia la forman los quarks charm (c) y strange (s) y la tercera familia, los quarks top (t) y bottom (b).
Algo muy importante es que de una familia a otra, las masas de los quarks aumentan (mucho), como se puede ver en la imagen de arriba. Esto va a afectar de forma directa al tiempo de vida de los quarks más pesados, ya que decaerán de forma espontánea (vía interacción débil) a las familias más ligeras, lo cual viene dado por esa obsesión de la naturaleza de que cuanta menos energía tenga tu sistema, mejor. Cabe decir que la familia más ligera (u y d) no decae porque no tiene a qué decaer, así que se quedan como están. Este hecho provoca que las composiciones de quarks más abundantes sean ni más ni menos los protones (uud) y los neutrones (udd). Los protones poseen una carga de (2/3+2/3-1/3)=1 y los neutrones (2/3-1/3-1/3)=0.
Únicamente se pueden formar estructuras compuestas por estrictamente tres quarks, los llamados bariones, o bien formadas por un quark y un antiquark (mesones). Esto es debido a la presencia de un número cuántico que llamamos color, que solo será neutro cuando estén los tres colores unidos (de color blanco entonces) o cuando se junte un color y su anti-color.
Protones y neutrones son los bariones más estables y por tanto los más abundantes. Pero no son los únicos, en total existen 27 bariones. De esos 27, ocho presentan momento angular J=1/2 y los restantes tienen momento angular J=3/2.
En la fila superior tenemos a nuestros bariones por excelencia, mientras que las filas central e inferior tienen uno y dos quarks de extrañeza respectivamente. Ahora bien: ha llegado el momento de desvelar por fin lo que son los hipernúcleos (aunque ya lo podemos imaginar).
*redoble de tambor*
Los hipernúcleos son aquellos núcleos con grados de libertad de extrañeza, es decir, uno o varios de los bariones que los componen tienen quarks strange.
Y tiene sentido que estas composiciones exóticas se formen con el quark extraño, puesto que es el quark más ligero después de el up y el down (y aun así tiene 20 veces la masa del d y 40 veces la masa del u). Por tanto, si nos queremos salir de lo “cotidiano”, el quark strange es la mejor opción. El nombre “hipernúcleo” viene de que la cantidad de quarks strange en los bariones se mide por una magnitud llamada hipercarga, un nombre que impone mucho pero que básicamente lo que hace es contar ese quark strange s en la composición de quarks de los bariones.
El barión más ligero que incluye extrañeza es el llamado barión Lambda, con composición (uds). Tiene una masa de unos 1116 MeV (~ 20% más masa que un nucleón) y un tiempo de vida medio muy pequeño, unos 0.3 nanosegundos. Esto significa que se desintegra muy rápido en un nucleón. Este es el barión con el que más fácil se puede construir un hipernúcleo. Es importante remarcar que los hipernúcleos son núcleos normales con uno (o como mucho dos) de los nucleones sustituidos por bariones con extrañeza. Cuantos más quarks strange, más inestabilidad y por tanto menos hipernúcleos viables se pueden formar (aun siendo “viables”, sus tiempos de vida medios son muy cortos de por sí). Con un grado de extrañeza (#s=1), encontramos los hipernúcleos Lambda y Sigma, mientras que con dos grados de extrañeza (#s=2) encontramos los hipernúcleos Doble-Lambda (con dos bariones uds) o Xi (con un barión ssd ó ssu).
Los hipernúcleos, además de molar un rato, presentan gran interés científico en diferentes aspectos: abren el estudio de un medio nuclear exótico, con nuevas interacciones; por ejemplo, al añadir un barión con extrañeza, aumenta el ratio de neutrones permitidos por protón en el núcleo. Por otra parte, este tipo de formaciones se dan en algunas estrellas (principalmente estrellas de neutrones). Aun así, no es oro todo lo que reluce, ya que el estudio de estos sistemas está muy limitado debido a la corta duración de su existencia y su producción. Sin embargo ¡seguiremos en ello! Que la ciencia está para eso. Y por hoy ya os dejo en paz, ¡gracias por leernos y hasta la próxima!
(Por si te quedas con ganas de más)
