El hidrógeno, clave para desvelar los secretos del núcleo atómico

El elemento más ligero del universo, el hidrógeno, ha vuelto a situarse en el centro de la investigación científica más avanzada, esta vez como herramienta fundamental para ahondar en los misterios de la estructura interna de la materia. Un equipo de físicos nucleares del Departamento de Energía de Estados Unidos, en el Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ha logrado comparar con precisión dos isótopos de hidrógeno, abriendo así una ventana sin precedentes al mundo de los quarks y gluones, las partículas elementales responsables de la cohesión de protones y neutrones.

Un nuevo enfoque para explorar el núcleo atómico

La investigación se ha centrado en los dos isótopos más sencillos del hidrógeno: el protio, que contiene un solo protón, y el deuterio, compuesto por un protón y un neutrón. Aunque ambos parecen simples a primera vista, las diferencias sutiles en su estructura interna han permitido a los científicos examinar cómo se organizan las partículas fundamentales dentro de los nucleones (protones y neutrones). Utilizando haces de electrones de alta energía, los investigadores han impactado estos átomos para observar la respuesta de sus componentes internos, logrando así una radiografía precisa de las fuerzas y dinámicas que rigen el núcleo atómico.

El papel de los quarks y gluones en la materia

Desde el descubrimiento de los quarks en la década de 1960, la física nuclear ha intentado desentrañar cómo estas partículas, unidas por los gluones, dan lugar a la masa y las propiedades de la materia ordinaria. Los quarks, que nunca se encuentran aislados, permanecen confinados en el interior de protones y neutrones, mientras que los gluones actúan como el “pegamento” mediador de la interacción fuerte, la fuerza más poderosa del universo. Sin embargo, la manera en que estos componentes se distribuyen y fluctúan en el interior de los nucleones sigue siendo un enigma.

El estudio realizado en el Jefferson Lab se suma a décadas de experimentos en aceleradores de partículas, como el CERN en Europa o el Fermilab en Estados Unidos. Gracias a la comparación entre protio y deuterio, los físicos han logrado aislar los efectos propios del neutrón, tradicionalmente más difícil de estudiar, ya que no existe libremente en la naturaleza. Este avance aporta datos cruciales para refinar los modelos teóricos de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción fuerte y la dinámica de quarks y gluones.

Implicaciones para la física y la tecnología espacial

Los hallazgos obtenidos no sólo profundizan en el conocimiento de la materia a nivel subatómico, sino que también tienen aplicaciones potenciales en la astrofísica y la exploración espacial. Entender la estructura de los nucleones es esencial para modelar procesos que tienen lugar en el interior de estrellas, como las reacciones de fusión que alimentan el Sol y otras estrellas, y que constituyen la base de futuras tecnologías energéticas, incluyendo los proyectos de fusión nuclear en los que ya trabajan agencias como la NASA y empresas privadas.

Por otra parte, la investigación de los isótopos de hidrógeno también resulta fundamental para la búsqueda de exoplanetas y vida en otros mundos. El hidrógeno es el elemento más abundante del cosmos, presente en las atmósferas y superficies de planetas, lunas y cometas. Las técnicas desarrolladas para estudiar el núcleo atómico pueden adaptarse para analizar la composición de atmósferas exoplanetarias, tal como ya lo hace el telescopio espacial James Webb en colaboración con la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA).

Vínculos con la industria aeroespacial y el sector privado

El avance logrado en el Jefferson Lab se produce en un contexto de creciente colaboración entre organismos públicos y empresas privadas en el ámbito aeroespacial. Compañías como SpaceX y Blue Origin están impulsando la exploración del espacio profundo y el desarrollo de tecnologías basadas en el hidrógeno, tanto para propulsión de cohetes como para sistemas de soporte vital en misiones tripuladas a la Luna y Marte. Incluso la española PLD Space, pionera en lanzadores reutilizables, contempla el uso de combustibles basados en hidrógeno para próximas generaciones de cohetes.

Por su parte, Virgin Galactic continúa investigando materiales y fuentes de energía alternativas para el turismo espacial suborbital, mientras que las agencias espaciales de China, India y Rusia también incorporan los últimos descubrimientos en física nuclear y de partículas a sus programas de exploración.

Una carrera global por entender la materia y el universo

En definitiva, la comparación de los isótopos de hidrógeno llevada a cabo en el Jefferson Lab representa un nuevo paso en la carrera global por comprender los mecanismos fundamentales de la materia y por aplicar este conocimiento en la exploración espacial, la búsqueda de exoplanetas y el desarrollo de tecnologías energéticas avanzadas. La sinergia entre laboratorios públicos, agencias espaciales y empresas privadas está acelerando el ritmo de los descubrimientos, acercándonos cada vez más a desvelar los secretos más profundos del universo.

(Fuente: SpaceDaily)