Durante años, los físicos nucleares creyeron que las «Islas de Inversión» se encontraban principalmente en isótopos con un exceso de neutrones. Estas regiones inusuales del mapa nuclear son lugares donde la estructura normal de los núcleos atómicos deja de seguir las reglas esperadas. En estos casos, los conocidos números mágicos desaparecen, las formas nucleares redondeadas se rompen y el núcleo puede cambiar a una forma altamente distorsionada.
Hasta ahora, cada ejemplo conocido se ha producido en núcleos muy inestables y ricos en neutrones. Entre ellos se encuentran el berilio-12 (N = 8), el magnesio-32 (N = 20) y el cromo-64 (N = 40). Todos estos se encuentran lejos de los elementos estables que se encuentran comúnmente en la naturaleza.
Científicos descubren una sorprendente isla nuclear
Un nuevo estudio realizado por un equipo internacional de investigación ha revelado algo inesperado. Científicos del Centro de Estudios Nucleares Exóticos, el Instituto de Ciencia Básica (IBS), la Universidad de Padua, la Universidad Estatal de Michigan, la Universidad de Estrasburgo y otras instituciones han identificado una Isla de Inversión en un lugar que nadie anticipaba.
En lugar de aparecer en núcleos con un alto número de neutrones, la región recién descubierta existe en una de las partes más simétricas del mapa nuclear. En esta región, el número de protones y neutrones es igual.
Estudiando isótopos raros de molibdeno
Los investigadores se centraron en dos isótopos del molibdeno: molibdeno-84 (Z = N = 42) y molibdeno-86 (Z = 42, N = 44). Ambos se encuentran a lo largo de la línea N = Z, que es especialmente importante en la física nuclear. Sin embargo, estos isótopos son extremadamente difíciles de estudiar porque son complicados de crear en experimentos de laboratorio.
Utilizando haces de isótopos raros en la Universidad Estatal de Michigan y detectores de rayos gamma de alta sensibilidad, el equipo midió la vida útil de los estados nucleares excitados con una precisión del orden de los picosegundos.
Para generar el haz necesario, los científicos aceleraron iones de Mo-92 y los dispararon contra un blanco de berilio, produciendo núcleos de Mo-86 en movimiento rápido. Un separador A1900 se utilizó para aislar los fragmentos deseados de las muchas partículas producidas durante la colisión. El haz de Mo-86 se dirigió entonces a un segundo blanco. Durante este paso, algunos núcleos se excitaron, mientras que otros perdieron dos neutrones y se transformaron en Mo-84.
A medida que estos núcleos regresaban a sus estados de energía más bajos, emitían rayos gamma que proporcionaban pistas sobre su estructura interna.
Las mediciones de rayos gamma revelan la estructura nuclear
Los rayos gamma emitidos fueron detectados con GRETINA, una matriz de detectores de germanio de alta resolución capaz de rastrear las interacciones individuales de los rayos gamma. Los científicos también utilizaron TRIPLEX, un instrumento diseñado para medir vidas útiles extremadamente cortas que duran solo billonésimas de segundo.
Los investigadores compararon las mediciones con simulaciones de Monte Carlo GEANT4. Esto les permitió determinar la vida útil de los primeros estados nucleares excitados y estimar cuánto se distorsionaban los núcleos de una forma esférica.
Una diferencia dramática entre Mo-84 y Mo-86
Los resultados mostraron un marcado contraste entre los dos isótopos. Aunque Mo-84 y Mo-86 difieren solo en dos neutrones, su comportamiento es muy diferente.
Mo-84 muestra una cantidad inusualmente grande de movimiento colectivo. Esto significa que muchos protones y neutrones se mueven juntos a través de una brecha de capa importante. Los físicos nucleares describen este fenómeno como una «excitación de agujero de partícula». En este proceso, algunos nucleones saltan a orbitales de energía más altos, convirtiéndose en partículas, mientras dejan espacios vacíos, o agujeros, en orbitales de energía más bajos.
Cuando muchos nucleones participan en estas transiciones coordinadas, el núcleo se deforma fuertemente.
Excitaciones de agujeros de partículas y deformación nuclear
Los cálculos teóricos detallados ayudaron a explicar por qué los dos isótopos se comportan de manera diferente. En Mo-84, los protones y los neutrones experimentan excitaciones de agujeros de partículas simultáneas muy grandes. De hecho, el núcleo experimenta eficazmente una reorganización de 8 partículas y 8 agujeros. Esta extensa reorganización produce una forma nuclear altamente deformada.
El efecto surge de la interacción entre la simetría protón-neutrón y un estrechamiento de la brecha de capa en N = Z = 40. Esta combinación facilita que muchos nucleones salten a través de la brecha al mismo tiempo.
Los investigadores también encontraron que estos resultados no se pueden reproducir sin tener en cuenta las fuerzas de tres nucleones. En estas interacciones, tres nucleones se influyen mutuamente simultáneamente. Los modelos que incluyen solo las interacciones tradicionales de dos nucleones no logran producir la estructura observada.
Un nuevo tipo de isla de inversión
Mo-86 se comporta de manera diferente. Exhibe excitaciones 4p-4h más modestas y, por lo tanto, permanece mucho menos deformado.
En conjunto, los hallazgos muestran que Mo-84 se encuentra dentro de una «Isla de Inversión» recién identificada, mientras que Mo-86 se encuentra fuera de esta región.
Esta recién descubierta «Isla de Inversión Isospin-Simétrica» en el núcleo N = Z Mo-84 representa el primer ejemplo conocido de una Isla de Inversión en un sistema protón-neutrón simétrico. El descubrimiento desafía las suposiciones de larga data sobre dónde pueden formarse estas regiones nucleares inusuales y ofrece nuevas perspectivas sobre las fuerzas fundamentales que mantienen unidos los núcleos atómicos.
