El oro no puede formarse hasta que ciertos núcleos atómicos inestables se descompongan. Determinar exactamente cómo se desarrollan estas transformaciones nucleares ha sido un desafío durante mucho tiempo. Ahora, físicos nucleares de la Universidad de Tennessee (UT) han publicado tres descubrimientos en un solo estudio que aclaran partes importantes de este proceso. Sus hallazgos podrían ayudar a los investigadores a construir modelos mejorados de los eventos estelares que crean elementos pesados y a predecir con mayor precisión el comportamiento de los núcleos atómicos exóticos.
Los elementos pesados, como el oro y el platino, se forjan en condiciones extraordinarias, incluyendo el colapso, la explosión o la colisión de estrellas. Estos eventos desencadenan el proceso de captura rápida de neutrones (o proceso r, por sus siglas en inglés). Durante este proceso, un núcleo atómico absorbe neutrones en rápida sucesión. A medida que el núcleo se vuelve más pesado e inestable, eventualmente se descompone en formas más ligeras y estables.
A lo largo de esta trayectoria en la tabla de núclidos, una secuencia común implica la desintegración beta del núcleo padre seguida de la liberación de dos neutrones. Los núcleos atómicos involucrados en estas reacciones son extremadamente raros e inestables, lo que dificulta o imposibilita su estudio directo en experimentos. Debido a esto, los científicos dependen en gran medida de modelos teóricos, que deben ser probados y refinados utilizando datos de laboratorio.
Estudio de Núcleos Raros en las Instalaciones ISOLDE del CERN
Para investigar el proceso más a fondo, los investigadores de la UT colaboraron con científicos de varias instituciones. El equipo incluyó a los estudiantes de posgrado de la UT, Peter Dyszel y Jacob Gouge, al profesor Robert Grzywacz, al profesor asociado Miguel Madurga y a la investigadora asociada Monika Piersa-Silkowska. Su trabajo también se basó 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 requieren mucha tecnología nueva para sintetizarlos en cantidades suficientes”, explicó Grzywacz.
El equipo llevó a cabo los experimentos en la Estación de Desintegración ISOLDE del CERN, que produjo abundantes núcleos de indio-134 y utilizó técnicas avanzadas de separación láser para garantizar su pureza. Cuando el indio-134 sufre una desintegración, genera formas excitadas de estaño-134, estaño-133 y estaño-132.
Utilizando un detector de neutrones financiado a través del programa de Instrumentación de Investigación Principal de la National Science Foundation y construido en la UT, los científicos descubrieron tres hallazgos importantes. El resultado más significativo fue la primera medición de las energías de los neutrones asociadas con la emisión de dos neutrones retardada por beta.
“La emisión de dos neutrones es lo más importante”, dijo Grzywacz.
La emisión de dos neutrones retardada por beta ocurre solo en núcleos exóticos, que son inestables y existen solo brevemente. La energía necesaria para separar dos neutrones del núcleo es extremadamente pequeña, pero en este experimento fue lo suficientemente grande como para medirla.
“La razón por la que esto es difícil es porque los neutrones tienden a rebotar. Es difícil saber si es uno o dos”, explicó Grzywacz. En intentos anteriores, “nadie midió las energías”, por lo que este enfoque “abre un campo completamente nuevo”.
Esta investigación marca el primer estudio detallado de la emisión de dos neutrones de un núcleo que se encuentra a lo largo de la vía del proceso r. Los resultados proporcionan información valiosa para mejorar los modelos que describen cómo los eventos estelares crean elementos pesados como el oro.
Un Estado de Neutrones Anhelado en el Estaño
El segundo descubrimiento importante del equipo fue la primera observación de un estado de neutrones de una sola partícula predicho durante 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) enfriarse. Puede expulsar un neutrón, o, con suficiente energía, puede expulsar dos neutrones. Siempre debería expulsar dos neutrones, pero no lo hace”.
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 ese escenario, el núcleo se comporta como un “núcleo amnésico”, sin memoria de cómo se formó.
“Decimos que el estaño no olvida”, dijo Grzywacz. “Esta ‘sombra’ del indio no desaparece por completo. La memoria no se borra”.
Los detectores de neutrones avanzados permitieron a los investigadores detectar este elusivo estado nuclear. 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 mientras que otras liberan dos.
“La gente lo ha estado buscando durante 20 años y lo encontramos”, dijo Grzywacz. “Esos dos neutrones nos permitieron ver este estado”.
Señaló que el estado recién observado representa una etapa intermedia en la secuencia de emisión de dos neutrones. También representa la excitación elemental final del núcleo de estaño-133, lo que ayuda a completar el cuadro de la estructura nuclear y a mejorar la precisión de los cálculos teóricos.
Un Tercer Descubrimiento Desafía los Modelos Existentes
El estudio también reveló un tercer resultado importante. Los investigadores observaron una población no estadística de este estado recién identificado. En términos simples, la forma en que el estado se puebla durante la desintegración no sigue los patrones que los científicos típicamente esperan.
Grzywacz explicó que el entorno de desintegración en este experimento es relativamente limpio. Los estados nucleares están separados en lugar de estar agrupados.
“No estás haciendo sopa de chícharos”, dijo. “Aún así, en la mayoría de los casos se comporta como sopa de chícharos. De alguna manera, este mecanismo estadístico sucede. ¿Por qué es estadístico, aunque no debería serlo y por qué en nuestro caso no lo es?”.
Los hallazgos sugieren que a medida que los científicos exploran regiones del paisaje nuclear más lejos de la estabilidad, particularmente entre los núcleos exóticos como el Tennessine, los modelos existentes pueden ya no ser aplicables. Es probable que se requieran nuevos enfoques teóricos para describir estos sistemas extremos.
La Curiosidad Impulsa Nuevos Descubrimientos
La búsqueda de modelos mejorados de la estructura nuclear y la formación de elementos ofrece grandes oportunidades para los científicos en las primeras etapas de su carrera, como Dyszel. Se unió al grupo de investigación de Grzywacz en 2022 y fue el primer autor del artículo de Physical Review Letters que describe los descubrimientos.
Sus responsabilidades durante el experimento fueron extensas. Dyszel construyó marcos para los detectores de seguimiento de neutrones y los ensambló dentro del aparato experimental. Instaló sistemas electrónicos, construyó detectores beta, realizó mediciones de prueba, ayudó a desarrollar software de adquisición de datos, ajustó sistemas de sincronización y analizó los datos resultantes. A pesar de su amplio papel, el proyecto siguió siendo un esfuerzo colaborativo que involucró a muchos investigadores.
“El éxito de este trabajo se debe en parte a mis colegas y colaboradores, cuya orientación y aportes constructivos fueron cruciales”, dijo.
Originario de Jacksonville, Florida, Dyszel se unió a la UT después de obtener una licenciatura en física de la Universidad del Norte de Florida. Su interés en la ciencia nuclear comenzó antes durante un curso general de química, cuando aprendió por primera vez sobre la desintegración beta. La idea de que las transformaciones nucleares pudieran crear elementos completamente nuevos con diferentes propiedades capturó su atención, lo que inicialmente lo llevó a considerar obtener un título en química.
“No fue hasta que comencé mi licenciatura que puse un pie en una clase de física, lo que instantáneamente me impulsó hacia 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 la búsqueda de esa curiosidad”.
