Reportan mediciones sobre modelos astrofísicos de estrellas de neutrones

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9 diciembre, 2020

Los resultados, publicados recientemente por la revista Nature, pueden ayudar a comprender mejor la composición y comportamiento de estos objetos, así como su relación con los agujeros negros

Ciudad de México.- El experimento ALICE del Gran Colisionador de Hadrones (LHC), en el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN), realiza análisis de interés para la astrofísica de objetos celestes mediante el estudio de la materia cuando es sometida a condiciones extremas de presión, temperatura y densidad.

Los últimos resultados reportan la medición precisa de cómo los protones interaccionan con los hiperones, con lo que permitirá entender la manera cómo estos agregados de quark (entre los que encuentra presente el denominado quark “extraño”) dan forma al interior de las estrellas de neutrones.

Con la reciente publicación en la revista Nature de los resultados sobre los modelos astrofísicos de las estrellas de neutrones, se pueden avanzar hacia una mejor comprensión de esos objetos del universo.

“Los hiperones viven poco tiempo cuando se producen en choques entre protones en el centro del detector ALICE, se desintegran en menos de una mil millonésima de segundo. Sin embargo, en el centro de una estrella de neutrones deben ser estables porque allí no hay espacio para la formación de los productos que aparecerían cuando se desvanezca”, explicó Gerardo Herrera Corral investigador del Departamento de Física del Cinvestav y miembro del grupo científico mexicano que colabora en ese experimento.

ALICE ha podido estudiar la manera como interaccionan estos corpúsculos con protones y neutrones, lo cual permite saber el comportamiento de los hiperones sepultados en las estrellas más densas del universo; a partir de los estudios y la incorporación en modelos de simulación de cómo interaccionan los quarks, se pudo observar que, a diferencia de lo que sucede entre protones e hiperones Ξ (se pronuncia Xi), los hiperones Xi se repelen con los neutrones.

Esa repulsión con los neutrones significa que la estrella es más resistente a la contracción gravitacional y podría ser un factor importante que previene la formación de un agujero negro a partir de la estrella de neutrones con determinado tamaño.

“No sabemos si existen hiperones en el interior de las estrellas de neutrones, pero la información que el experimento ALICE está proporcionando ayudará a descifrar y entender las condiciones que evitan un colapso mayor de estos objetos”, sostuvo Herrera Corral, pionero en la colaboración mexicana en el CERN.

El experimento ALICE midió la manera como los protones interaccionan con los hiperones. La comparación de la fuerza que hay entre protones y Omegas con la que existe entre protones y Xi permite saber que la primera es mucho mayor de lo que se pensaba. La fuerza entre protones e hiperones Omega es tan grande que bien podrían formar un estado ligado protón-Omega.

Las estrellas de neutrones son lo que queda de las estrellas cuando han consumido su combustible; al final de su vida producen una explosión gigantesca de la cual sólo queda un núcleo denso de hierro que se contrae produciendo presiones tan altas en su interior que los protones se funden con los electrones para formar neutrones.

Se sabe mucho del proceso de su formación pero no de lo que pasa en su profundidad: parece ser que una delgada atmósfera hecha de hidrógeno y helio rodea su forma esférica; la corteza de unos centímetros de espesor contiene núcleos atómicos y electrones con movimiento libre. En una capa más interior es posible que elementos ionizados queden empaquetados, y, por debajo de esta coraza viene el grueso de la estrella y la materia de neutrones.

A esa profundidad la presión es tan intensa que casi todos los protones se combinan con electrones convirtiéndose en neutrones, la capa representa el 95 por ciento del compuesto de las estrellas de neutrones, lo que hay a mayor profundidad es un misterio; se piensan que puede ser materia ultradensa desconocida, quizá formada de quarks.

Otra visión indica la probabilidad de que los quarks se liberen y en condiciones de presión extrema se genere el quark “extraño” produciendo hiperones; estas partículas son agregados de quarks que contienen al quark extraño, son conocidos porque se producen en las colisiones estudiadas en aceleradores de partículas, son grupos de tres quarks como los neutrones, pero uno de ellos es un quark “extraño”.

El equipo científico que colabora en ALICE se integra por grupos de investigación de diferentes países y México participa en él desde hace más de 25 años. De acuerdo con Gerardo Herrera en la obtención de estos resultados, el detector V0 diseñado, construido e instalado por físicos mexicanos en ese experimento, jugó un papel fundamental, porque permitió seleccionar los eventos.

Este dispositivo es el más veloz del experimento y permite seleccionar los eventos en que se producen un gran número de partículas, el sistema consta de dos detectores localizados a los lados del punto de interacción. Los eventos estudiados contienen en promedio 30 partículas y se llaman de alta multiplicidad, en ellos la producción de hiperones de interés es mayor, por eso se utilizan para el análisis, por lo tanto, con la ayuda de V0 se logró acumular mil millones de eventos para ser analizados y extraer los resultados.

Otros instrumentos empleados fueron: a) el Sistema de Trayectorias Internas: conjunto de detectores de silicio semiconductor; b) el Sistema de Tiempo de Vuelo: mide cronométricamente el tiempo que tardan las partículas desde su producción en la colisión hasta llegar al dispositivo, esta medición de tiempo le permite identificarlas; y c) la Cámara de Proyección Temporal: determina las trayectorias de las partículas producidas en la colisión, las identifica y mide su velocidad. (CINVESTAV)