En este núcleo sobra masa

El deuterio es un isótopo del hidrógeno. Eso significa que el número de protones en su núcleo es idéntico, uno, pero el deuterio tiene un neutrón, cosa que el hidrógeno más básico no tiene.

En un núcleo como el del deuterio se ilustra fácilmente el efecto de la equivalencia entre masa y energía que hizo famosa Einstein con su ecuación E = mc². Las cuentas son muy simples: si la masa de un protón es m_p = 1.007276 u (donde u representa la unidad de masa atómica ≈ 1.66053886 x 10^-27 kg) y la del neutrón es m_n= 1.008665 u, entonces m_p + m_n = 1.007276 + 1.008665 = 2.015941 u. Pero resulta que la masa medida real del núcleo de deuterio es 2.013553 u, es decir, que existe una diferencia de masa de 2.015941 - 2.013553 = 0.002388 u. = 3.9654 x 10^-30 kg. Aplicando la fórmula de Einstein obtenemos que este déficit de masa corresponde a 2,224 MeV de energía, que es lo que se conoce como energía de enlace del núcleo de deuterio. Visto de otra forma, este defecto de masa es la energía que se ha liberado al “construirse” el núcleo.

¿Qué ocurre? ¿Falla la famosa fórmula?¿Hay algo desconocido que se nos escapa?¿Están mal los experimentos?

En pura teoría podríamos seguir así hasta completar todos los isótopos existentes. Y decimos en pura teoría porque en 2015 se midió por primera vez y ahora acaba de confirmarse con mayor precisión que esta forma de proceder falla de forma muy significativa a las primeras de cambio. Con el núcleo de helio-3, esto es, con solo dos protones y un neutrón. ¿Qué ocurre? ¿Falla la famosa fórmula?¿Hay algo desconocido que se nos escapa?¿Están mal los experimentos?

En 2015 el equipo liderado por Edmund Myers de la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee (Estados Unidos) publicó unas mediciones de las relaciones de masa atómica que dejaron perplejos a los investigadores. Sus datos implicaban que, siguiendo el procedimiento de arriba, la suma de las masas del protón y el deuterón menos la masa del núcleo de helio-3, es decir, (m_p + m_d) - m_h, era mucho más pequeña, en más de 4 desviaciones estándar, que el valor deducido al combinar los valores aceptados de las masas individuales. Algo no cuadraba. O las mediciones del equipo de Myers o los valores de masa individuales estaban mal.

Una medición posterior de la masa del protón realizada por otros investigadores, apuntó a que la masa del protón utilizada era un poco demasiado grande. Sin embargo, la discrepancia se mantenía en más de 3 desviaciones estándar. Ahora, en una repetición de su experimento, Myers y colegas confirman su resultado de 2015 con una precisión mejorada.

Myers y colegas confirman su resultado de 2015 con una precisión mejorada

En los experimentos los investigadores emplean un espectrómetro con una trampa de iones tipo Penning. Este tipo de aparato consigue medir con precisión la relación existente entre las frecuencias de resonancia ciclotrón de dos iones atrapados, de la que puede deducirse la relación entre las masas de los iones.

Myers y sus colegas mejoraron significativamente su aparato de 2015, reduciendo tanto la falta de homogeneidad del campo magnético de la trampa como el ruido en el circuito de detección del aparato. Luego rehicieron su medición de la relación de las masas del núcleo de helio-3 (que al no tener un electrón es un ion que se representa como ³He⁺) y el ion molecular hidrógeno-deuterio (HD⁺), que se puede convertir fácilmente a la diferencia (m_p + m_d) - m_h que mencionamos antes.

Debido a las mejoras en el aparato su resultado difiere de nuevo en más de 4 desviaciones estándar del valor calculado utilizando la masa del protón actualizada (más pequeña) y las masas del deuterón y del núcleo de helio-3.

La confirmación llega en plena revisión del Sistema Internacional de Unidades para medirlo con constantes fundamentales

El hallazgo no solo tiene interés porque es una de esas pequeñas cosas que después pueden llevar a grandes descubrimientos si se descarta el error experimental, sino también porque llega en un momento crítico en el que está en revisión la nueva propuesta del Sistema Internacional de Unidades (SI) en términos de constantes fundamentales.

Referencia: S. Hamzeloui, J. A. Smith, D. J. Fink, and E. G. Myers (2017) Precision mass ratio of ³He⁺ to HD⁺ Physical Review A doi: 10.1103/PhysRevA.96.060501