Los científicos han informado de un importante avance experimental en la comprensión de cómo se forman algunos de los elementos más raros del universo. Estos átomos inusuales, conocidos como núcleos p, son isótopos ricos en protones más pesados que el hierro que han desconcertado a los investigadores durante mucho tiempo.
La nueva investigación, dirigida por Artemis Santiri, quien realizó el trabajo como estudiante de posgrado en la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB) y ahora es becario postdoctoral en la Universidad de Regina en Canadá, ha logrado un hito. Por primera vez, los investigadores han medido directamente cómo el arsénico-73 captura un protón para formar selenio-74 utilizando un haz de isótopos poco común. Este resultado establece nuevos límites sobre cómo se crean y destruyen los núcleos p más ligeros en el espacio.
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Por qué algunos elementos siguen siendo un misterio
Un objetivo clave de la astrofísica nuclear es comprender de dónde provienen los elementos. Muchos elementos más pesados que el hierro se forman mediante procesos lentos y rápidos de captura de neutrones. En estas reacciones, los núcleos atómicos absorben neutrones repetidamente y luego sufren desintegración radiactiva hasta alcanzar una forma estable.
Sin embargo, esta explicación no se aplica a un grupo particular de isótopos ricos en protones. Estos núcleos p no pueden producirse mediante captura de neutrones. Van desde el selenio-74, el más ligero, hasta el mercurio-196, el más pesado, y sus orígenes han permanecido oscuros durante décadas.
Explosiones de supernovas y rayos gamma.
Una de las principales explicaciones para la creación de núcleos p es el proceso gamma, que ocurre en ciertos tipos de explosiones de supernovas. En este ambiente extremo, el calor intenso produce rayos gamma que despojan a los neutrones y otras partículas de los núcleos pesados existentes.
Después de este proceso, el núcleo restante contiene más protones que neutrones. Con el tiempo, algunos de estos núcleos convierten protones en neutrones, moviéndose hacia un equilibrio más estable y eventualmente formando núcleos p.
Muchos de los isótopos involucrados en este proceso tienen una vida corta y son difíciles de producir en el laboratorio. Debido a esto, los científicos han tenido que confiar más en modelos teóricos que en mediciones directas.
“Aunque el origen de los núcleos p ha sido objeto de estudio durante más de 60 años, las mediciones de reacciones críticas de isótopos de vida corta son casi inexistentes”, afirmó Santiri. “Estos experimentos ahora sólo son posibles con instalaciones como el FRIB”.
Recreando una reacción estelar en el laboratorio
En este estudio, los investigadores recrearon con éxito un paso clave en el proceso al observar por primera vez la captura de protones en arsénico-73 radiactivo. Para ello, crearon un haz de arsénico-73 específicamente para el experimento y lo dirigieron a una cámara llena de gas hidrógeno. El hidrógeno sirve como fuente de protones y está ubicado en el centro del detector Summing Null (SuN).
El equipo produjo arsénico-73 utilizando el acelerador ReA de FRIB, que operaron en una configuración independiente en lugar de depender del acelerador lineal principal. El grupo de radioquímica dirigido por Katharina Domnanich preparó el material en una forma adecuada para su uso en experimentos. Luego, el isótopo se colocó en una fuente de iones en modo discontinuo, donde se ionizó, se aceleró a alta energía y se entregó al objetivo. Esta configuración demostró la flexibilidad de ReA para producir y estudiar isótopos raros.
Seguimiento de cómo se forma y destruye el selenio-74
Durante la reacción, el arsénico-73 absorbe un protón y se convierte en selenio-74 en estado excitado. Luego emite un rayo gamma para alcanzar un estado estable. Los investigadores se centraron en la retroalimentación inversa porque desempeña un papel clave en el proceso gamma dentro de las estrellas. Al medir la reacción directa, pueden determinar qué tan rápido ocurre el proceso inverso.
Para comprender cuánto selenio-74 existe en el sistema solar, los científicos deben considerar tanto su creación como su destrucción. Una de las mayores incertidumbres que quedan es con qué frecuencia los rayos gamma descomponen el selenio-74 durante las explosiones estelares.
Modelos avanzados pero quedan nuevas preguntas
Cuando los investigadores incorporaron sus mediciones en modelos astrofísicos, redujeron a la mitad la incertidumbre en la abundancia prevista de selenio-74. Esto marca un avance significativo en la comprensión de cómo se produce este isótopo.
Sin embargo, los modelos actualizados aún no se corresponden completamente con lo que se observa en la naturaleza. Esta brecha sugiere que los científicos pueden necesitar refinar sus suposiciones sobre las condiciones dentro de las explosiones de supernovas.
“Estos resultados nos acercan un paso más a la comprensión del origen de algunos de los isótopos más raros del universo”, dijo Artemis Spiro, profesor de física en FRIB y en el Departamento de Física y Astronomía de la Universidad Estatal de Michigan, asesor de investigación de Santiri y arquitecto principal del experimento. “El trabajo de Santiri es un excelente ejemplo de la colaboración multidisciplinaria necesaria para avanzar en el campo y las oportunidades de desarrollo profesional para los investigadores que inician su carrera en el FRIB”.
Cooperación y apoyo
Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Física Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU.; Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.; Administración Nacional de Seguridad Nuclear de Estados Unidos; y el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá.
Los isótopos utilizados en este estudio fueron proporcionados por el Programa de Isótopos del Departamento de Energía de EE. UU., administrado por la Oficina de Investigación y Desarrollo y Producción de Isótopos.
