Vista artística del proceso y sección transversal para la dispersión de Compton (frente) y el microscopio de reacción COLTRIMS que permitió el experimento (parte posterior). Los fotones (línea ondulada) golpean un electrón en el átomo en el centro del microscopio de reacción COLTRIMS, que deja fuera un electrón (bola roja) y deja atrás un ion (bola azul). Ambas partículas son guiadas por campos eléctricos y magnéticos hacia detectores (discos rojos y azules). Crédito: Universidad Goethe de Frankfurt.

Cuando el físico estadounidense Arthur Compton descubrió que las ondas de luz se comportan como partículas en 1922, y podrían eliminar electrones de los átomos durante un experimento de impacto, fue un hito para la mecánica cuántica. Cinco años después, Compton recibió el Premio Nobel por este descubrimiento. Compton usó luz de onda muy corta con alta energía para su experimento, lo que le permitió descuidar la energía de unión del electrón al núcleo atómico. Compton simplemente asumió para sus cálculos que el electrón descansaba libremente en el espacio.

Durante los siguientes 90 años hasta el presente, se han llevado a cabo numerosos experimentos y cálculos con respecto a la dispersión de Compton que continuamente revela asimetrías y plantea acertijos. Por ejemplo, se observó que en ciertos experimentos, la energía parecía perderse cuando la energía de movimiento de los electrones y las partículas de luz (fotones) después de la colisión se comparaba con la energía de los fotones antes de la colisión. Dado que la energía no puede simplemente desaparecer, se supuso que en estos casos, contrariamente a la suposición simplificada de Compton, la influencia del núcleo en la colisión de fotones y electrones no podía descuidarse.

Por primera vez en un experimento de impacto con fotones, un equipo de físicos dirigido por el profesor Reinhard Dörner y el candidato a doctorado Max Kircher en la Universidad Goethe de Frankfurt ha observado simultáneamente los electrones expulsados ​​y el movimiento del núcleo. Para ello, irradiaron átomos de helio con rayos X de la fuente de rayos X PETRA III en el acelerador DESY de Hamburgo. Detectaron los electrones expulsados y el resto cargado del átomo (iones) en un microscopio de reacción COLTRIMS, un aparato que Dörner ayudó a desarrollar y que es capaz de hacer visibles los procesos reactivos ultrarrápidos en átomos y moléculas.

Los resultados fueron sorprendentes. Primero, los científicos observaron que, por supuesto, la energía de los fotones dispersantes se conservaba y se transfería parcialmente a un movimiento del núcleo (más precisamente: el ion). Además, también observaron que a veces un electrón es expulsado del núcleo cuando la energía del fotón en colisión es realmente demasiado baja para superar la energía de unión del electrón al núcleo. En general, el electrón solo fue expulsado en la dirección que uno esperaría en un experimento de impacto de billar en dos tercios de los casos. En todos los demás casos, el núcleo aparentemente refleja el electrón y, a veces, incluso se expulsa en la dirección opuesta.

Más información: Max Kircher et al, Estudio experimental cinemáticamente completo de la dispersión de Compton en átomos de helio cerca del umbral, Nature Physics (2020). DOI: 10.1038/s41567-020-0880-2