El estado de Hoyle: un núcleo primordial detrás de los elementos de la vida


De Simons Science News (encuentra la historia original aquí) Hace miles de millones de años, todo el carbono de la Tierra surgió dentro de estrellas distantes y moribundas. Al principio, el núcleo de cada átomo surgió en un estado hinchado y aplastado con pocas posibilidades de supervivencia. Por cada 2, 500 que fracasaron de inmediato, solo una forma cambió a una forma estable capaz de soportar la vida. Ese e

De Simons Science News (encuentra la historia original aquí)

Hace miles de millones de años, todo el carbono de la Tierra surgió dentro de estrellas distantes y moribundas. Al principio, el núcleo de cada átomo surgió en un estado hinchado y aplastado con pocas posibilidades de supervivencia. Por cada 2, 500 que fracasaron de inmediato, solo una forma cambió a una forma estable capaz de soportar la vida.

Ese estado nuclear primordial e inestable, llamado el estado de Hoyle, se descubrió hace más de 50 años, pero ha llevado al surgimiento de las supercomputadoras modernas y al desarrollo de nuevas técnicas matemáticas para descubrir cómo se elaboran las leyes de la física. En un trabajo detallado por primera vez en mayo de 2011 y refinado en un artículo que se publicará este mes en Physical Review Letters, un grupo de físicos teóricos en Alemania y Estados Unidos aplicaron las fuerzas de la física a un conjunto de partículas subatómicas simulado por computadora para construir La estructura del núcleo del estado Hoyle desde cero.

"Parece un brazo doblado", dijo Dean Lee, profesor de física nuclear y de partículas en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor del estudio.

Los físicos dicen que conocer la estructura del estado de Hoyle ayudará a revelar cómo genera carbono, oxígeno, nitrógeno y otros elementos ligeros que componen las complejas moléculas de los seres vivos. La síntesis de estos elementos permite la génesis de la vida, pero también impulsa la evolución de las estrellas.

"El ciclo de carbono-oxígeno-nitrógeno es simplemente crucial para la formación de casi todos los demás elementos, y para entender cómo viven las estrellas y cómo se desintegran y se desvanecen", dijo Morten Hjorth-Jensen, profesor de física nuclear teórica en el Universidad de Oslo y la Universidad Estatal de Michigan, que no participaron en la investigación. "Y, por supuesto, sin el estado Hoyle no estaríamos aquí".

La búsqueda para desentrañar el estado de Hoyle comenzó en 1954 con lo que el escritor de astrofísica Marcus Chown ha calificado como "la predicción más escandalosa" jamás realizada en la ciencia. El astrofísico teórico Fred Hoyle razonó que su propia existencia significaba que un estado exótico y desconocido del átomo de carbono con aproximadamente 7.65 millones de electrones de energía extra debía surgir dentro de las estrellas moribundas, incluso aunque nadie haya detectado emisiones espectrales de tal átomo.

"Hoyle postuló que este carbón de 7.65 MeV tenía que existir para que haya vida", dijo Hjorth-Jensen. "Luego, cuatro o cinco años más tarde, un grupo experimental en Caltech en realidad encontró este estado de Hoyle en emisiones".

Tal como se predijo, casi todos los elementos clave de la vida descienden de esa forma fugaz de carbono. Cuando las estrellas medianas como nuestro sol se agotan en hidrógeno para fundirse en helio, sus capas externas se expanden y enrojecen, y sus núcleos se encogen. Durante esta contracción interna, los núcleos de helio (también llamados partículas alfa), cada uno de los cuales contiene dos protones y dos neutrones, se empujan juntos con tanta fuerza que se fusionan, formando un núcleo atómico de cuatro protones y cuatro neutrones llamado berilio-8. En la diez milésima de una billonésima parte de segundo antes de que el berilio se descomponga en dos partículas alfa, una tercera partícula alfa a veces choca contra el berilio, fundiéndose con él para formar un núcleo de carbono-12 excitado, de tamaño más grande: el estado de Hoyle . Además de los seis protones y seis neutrones habituales del carbono, este estado contiene un paquete adicional de energía.

Los núcleos del estado de Hoyle casi siempre se descomponen en berilio y una partícula alfa. Pero una vez de cada 2, 500 veces, estos carbones hinchados se relajan en su configuración estable en estado fundamental, emitiendo la energía adicional como una explosión de rayos gamma. Los nuevos núcleos de carbono-12 que se crean posteriormente pueblan la tabla periódica: algunos se quedan como están, mientras que otros se fusionan con otra partícula alfa para convertirse en oxígeno. Una fracción de los núcleos de oxígeno son despojados de un protón, transformándose en nitrógeno; otros se fusionan con otro alfa para convertirse en neón, y así sucesivamente. Si la estrella termina en una explosión cataclísmica llamada supernova, dispersa estos elementos recién acuñados en el espacio, donde eventualmente se convierten en los bloques de construcción de los futuros sistemas solares.

Hoyle, quien murió en 2001, sabía que sin el estado de Hoyle como punto de partida, estos elementos no surgirían. El estado de Hoyle es una "resonancia" del carbono formado por un átomo de berilio y una partícula alfa, lo que significa que tiene casi exactamente la misma energía que sus masas combinadas. El carbono-12 del estado fundamental tiene una energía más baja, por lo que no se forma a través de la fusión de una partícula alfa y berilio, así como dos más dos no son tres. "Para que todos estos estados estables ocurran, debe haber una resonancia", dijo Hjorth-Jensen.

Pero Hoyle solo predijo la energía del estado resonante del carbono; no podía decir nada sobre las fuerzas e interacciones que le permiten formarse, ni nada sobre sus propiedades físicas. Debido a que el carbono contiene seis protones y seis neutrones, cada uno de los cuales contiene tres quarks, el estado de Hoyle equivale a un problema altamente complejo de 36 cuerpos. A pesar de las décadas de trabajo de los físicos nucleares, incluso con la computación moderna, un cálculo exacto del estado sigue estando fuera de alcance.

Ahora, un enfoque llamado teoría de campo eficaz quiral, desarrollado por el premio Nobel Steven Weinberg, ha permitido a Lee y sus colegas aproximarse mucho a la estructura del estado de Hoyle. El truco aprovecha el hecho de que los protones y los neutrones tienden a mantener su distancia entre sí dentro de los núcleos atómicos, por lo que se "ven" unos a otros no como estructuras de tres quarks, sino como partículas únicas, aunque ligeramente complicadas.

Olvidarse de los quarks convierte un problema de 36 cuerpos en un problema de 12 cuerpos, pero con la fuerza nuclear fuerte, el electromagnetismo y las fuerzas quirales de "orden superior" que actúan entre cada partícula, incluso este problema resiste una solución exacta. "Fijar donde están los doce protones y neutrones es una cosa horriblemente complicada", dijo Lee.

Para hacer posible el cálculo, la teoría del campo efectivo quiral emplea un truco de matemáticas que a veces se usa en el cálculo de la escuela secundaria. De la misma manera que una función matemática, como una curva en un gráfico, puede aproximarse calculando los primeros términos de una "expansión de la serie de Taylor", una suma infinita de términos cada vez más pequeños, alrededor de un punto de la curva, el los investigadores aproximaron las fuerzas que conforman el estado de Hoyle considerando solo los primeros términos de una expansión de la serie de Taylor de esas fuerzas.

"Me gusta compararlo con disparar un par 3 en el golf", dijo Lee. El primer golpe, análogo a los términos principales en la ecuación de la serie de Taylor, “conduce la bola lo más cerca posible del agujero”. El segundo golpe, que representa los términos con influencia media en el movimiento de las partículas, lo acerca aún más. El tercero es una corrección sutil. Después de tres golpes, tiene una muy buena aproximación de la estructura y la energía del estado de Hoyle.

Cuando una supercomputadora aplica este cálculo a una simulación de seis protones y seis neutrones distribuidos en una red tridimensional, las partículas pueden organizarse en respuesta a ella de infinitas formas. Sin embargo, solo las configuraciones de menor energía de las partículas son comunes en la naturaleza. De estos, los investigadores encontraron que una de las soluciones era el núcleo de carbono del estado fundamental. Otro fue el estado Hoyle, con sus 7.65 MeV de energía extra.

El cálculo, realizado por la supercomputadora JUGENE de Alemania, habría tardado más de dos siglos en completar una computadora portátil típica.

“Cuando se pasa de los primeros principios, no está ajustando su modelo para que coincida con los objetos complicados que está buscando; está calculando los objetos desde el punto de inicio de las interacciones más básicas entre partículas ”, dijo Lee, quien colaboró ​​con Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Ulf-G. Meissner y Timo Laehde.

Como un brazo doblado, el estado de Hoyle toma la forma de un triángulo obtuso con una partícula alfa en cada vértice. La energía excedente del núcleo permite que sus grupos alfa se separen unos de otros más que los grupos en el estado de carbono-12, que se unen en un triángulo equilátero apretado.

Martin Freer, un físico nuclear experimental de la Universidad de Birmingham, dijo que conocer la estructura del núcleo atómico ayudará a explicar las tasas y los mecanismos mediante los cuales se transforma en otros estados, engendrando muchos de los otros elementos del universo. El cálculo ayuda a explicar por qué existe el estado Hoyle y también promete revelar qué tan ajustado está el universo para la vida. "Si el estado de Hoyle no existiera, tampoco lo haríamos nosotros, e incluso si su energía fuera ligeramente diferente, la vida tendría que haber encontrado una ruta alternativa", dijo Freer.

Al aumentar la resolución de la red tridimensional en su simulación, Lee y sus colegas esperan refinar su imagen del estado de Hoyle y comprender mejor la física que hace posible la vida. "Siempre queremos resolver las grandes preguntas que nos intrigan sobre nosotros mismos", dijo Lee. "Cuando la vida está en juego, entonces se vuelve interesante".

Reimpreso con permiso de Simons Science News, una división editorial independiente de SimonsFoundation.org. Su misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los desarrollos de investigación y las tendencias en matemáticas y ciencias computacionales, físicas y de la vida.