El oro no se puede formar hasta que ciertos núcleos atómicos inestables se rompan. Durante mucho tiempo ha sido difícil determinar exactamente cómo se desarrollan estas transiciones nucleares. Ahora, físicos nucleares de la Universidad de Tennessee (UT) informan tres descubrimientos en un solo estudio que aclaran partes importantes de este proceso. Sus hallazgos podrían ayudar a los investigadores a desarrollar modelos mejorados de eventos estelares que producen material pesado y predecir mejor el comportamiento de los núcleos exonucleares.
Los elementos pesados como el oro y el platino se forman cuando las estrellas colapsan, explotan o chocan en circunstancias extraordinarias. Estos eventos desencadenan el rápido proceso de captura de neutrones (o proceso R para abreviar). Durante este proceso, un núcleo atómico absorbe neutrones en rápida sucesión. A medida que el núcleo se vuelve más pesado e inestable, eventualmente colapsa y adquiere una forma más liviana y estable.
A lo largo de este camino a través del mapa de nucleidos, una secuencia típica implica la desintegración beta del núcleo principal y la emisión de dos neutrones. Los núcleos atómicos involucrados en estas reacciones son extremadamente raros e inestables, lo que hace difícil o incluso imposible estudiarlos directamente en experimentos. Por esta razón, los científicos dependen en gran medida de modelos teóricos, que deben probarse y perfeccionarse utilizando datos de laboratorio.
Estudiando núcleos raros con la instalación ISOLDE del CERN
Para investigar el proceso más de cerca, los investigadores de UT colaboraron con científicos de varias instituciones. El equipo incluía a los estudiantes graduados de UT Peter Diesel y Jacob Gage, el profesor Robert Grzywacz, el profesor asociado Miguel Madurga y la investigadora asociada Monika Piersa-Silkoska. Su trabajo también se basa en métodos de análisis de datos desarrollados por el profesor asistente de investigación Zhengyu Xu.
Los investigadores comenzaron con grandes cantidades del raro isótopo indio-134.
“Estos núcleos son difíciles de producir y se necesitan muchas tecnologías nuevas para sintetizarlos adecuadamente”, explica Grzywacz.
El equipo llevó a cabo experimentos en la estación de desintegración ISOLDE del CERN, que produjo grandes cantidades de núcleos de indio-134, y utilizó técnicas avanzadas de división por láser para garantizar su pureza. Cuando el indio-134 se desintegra, produce las formas excitadas estaño-134, estaño-133 y estaño-132.
A través del Programa de Instrumentación de Investigación Principal de la Fundación Nacional de Ciencias y utilizando un detector de neutrones construido en UT, los científicos descubrieron tres hallazgos importantes. El resultado más notable fue la primera medición de la energía de los neutrones asociada con la emisión de dos neutrones con retardo beta.
“La emisión de dos neutrones es el mayor negocio”, afirmó Gryzwacz.
La emisión beta retardada de dos neutrones se produce sólo en el núcleo externo, que es inestable y existe sólo brevemente. La energía necesaria para separar dos neutrones del núcleo es extremadamente pequeña, pero fue lo suficientemente grande como para medirla en este experimento.
“La razón por la que es difícil es porque a los neutrones les gusta rebotar. Es difícil saber si son uno o dos”, explicó Grzywacz. En intentos anteriores, “nadie había medido la energía”, por lo que este método “abre un campo completamente nuevo”.
Este estudio marca el primer estudio detallado de la emisión de dos neutrones de un núcleo ubicado a lo largo del camino del proceso R. Los resultados proporcionan información valiosa para mejorar los modelos que describen cómo los eventos estelares producen elementos pesados como el oro.
Un estado de neutrones largamente buscado en el estaño
El segundo gran descubrimiento del equipo fue la primera observación de un estado de neutrones de partícula única predicho desde hacía mucho tiempo en el estaño-133. Según Grzywacz, el núcleo comienza en un estado excitado y debe liberar energía para estabilizarse.
“El estaño está en un estado excitado. Tiene que estar frío. Puede escupir un neutrón o, con suficiente energía, puede escupir dos neutrones. Siempre debería escupir dos neutrones, pero no es así”.
Tradicionalmente, los científicos creían que el núcleo de estaño simplemente liberaba neutrones para enfriarse, perdiendo efectivamente cualquier rastro del evento de desintegración beta anterior. En esa situación el núcleo se comporta como un “núcleo amnésico”, sin tener memoria de cómo se formó.
“Nosotros decimos que el estaño no olvida”, afirmó Gryzwacz. “Esta ‘sombra’ del indio no desaparece por completo. La memoria no se borra”.
Los detectores de neutrones avanzados permiten a los investigadores detectar estos esquivos estados nucleares. La observación sugiere que las explicaciones teóricas actuales son incompletas y que los científicos necesitan un marco más sofisticado para explicar por qué algunas desintegraciones liberan un neutrón y otras liberan dos.
“La gente había estado buscándolo durante 20 años y lo encontramos”, dijo Grzywacz. “Estos dos neutrones nos permitieron ver este estado”.
Observó que el estado recién observado representa una etapa intermedia en la secuencia de emisión de dos neutrones. También representa la excitación primaria final del núcleo de estaño-133, lo que ayuda a completar la imagen de la estructura atómica y mejora la precisión de los cálculos teóricos.
Un tercer descubrimiento desafía los modelos existentes
El estudio también reveló un tercer hallazgo importante. Los investigadores observaron una población no estadística de estos estados recientemente identificados. En pocas palabras, la forma en que se puebla el estado durante la erosión no sigue los patrones que los científicos normalmente esperarían.
Grzywacz explicó que el ambiente corrosivo en esta prueba es relativamente limpio. Los estados nucleares se han distanciado en lugar de agruparse.
“No estás haciendo sopa de guisantes partidos”, dijo. “Aun así, en la mayoría de los casos se comporta como sopa de guisantes partidos. De alguna manera ocurre este proceso estadístico. ¿Por qué es estadístico, aunque no debería serlo, y por qué no lo tenemos en el molde”?
Los hallazgos sugieren que a medida que los científicos exploran regiones del paisaje nuclear alejadas de la estabilidad, particularmente dentro de un núcleo externo como Tennessine, es posible que los modelos existentes ya no sean aplicables. Probablemente serán necesarios nuevos enfoques teóricos para describir estos sistemas extremos.
La curiosidad impulsa nuevos descubrimientos
La búsqueda de modelos mejorados de estructura atómica y formación de materiales brinda grandes oportunidades para científicos que inician su carrera como Diesel. Se unió al grupo de investigación de Grzywacz en 2022 y fue el primer autor. carta de revisión física El artículo describe el descubrimiento.
Sus responsabilidades durante el examen fueron extensas. Diesel construye los marcos para los detectores de seguimiento de neutrones y los integra en el aparato experimental. Instaló el sistema electrónico, construyó el detector beta, midió el experimento, ayudó a desarrollar el software de adquisición de datos, coordinó el sistema de cronometraje y analizó los datos resultantes. A pesar de su amplio papel, el proyecto fue un esfuerzo de colaboración en el que participaron muchos investigadores.
“El éxito de este trabajo se debe en parte a mis colegas y colaboradores, cuya orientación y aportes constructivos han sido invaluables”, afirmó.
Originario de Jacksonville, Florida, Diesel asistió a UT después de obtener una licenciatura en física de la Universidad del Norte de Florida. Su interés por la ciencia nuclear comenzó durante un curso de química general, cuando aprendió por primera vez sobre la desintegración beta. La idea de que la transformación nuclear pudiera crear elementos completamente nuevos con propiedades diferentes llamó su atención, lo que inicialmente lo llevó a considerar la posibilidad de licenciarse en química.
“No fue hasta que comencé mis estudios universitarios que entré en una clase de física, lo que instantáneamente me llevó a obtener un título en física”, explicó. “Siempre me ha interesado comprender cómo funciona el mundo, y la física ha sido, y sigue siendo, el camino que quiero seguir en pos de esa curiosidad”.
