Proporciones nunca antes vistas de partículas que componen los núcleos atómicos han surgido en un experimento histórico que involucra la fragmentación de elementos pesados.
Al romper los núcleos de platino, los físicos dirigidos por Oleg Tarasov de la Universidad Estatal de Michigan han descubierto nuevos isótopos de elementos de tierras raras como tulio, iterbio y lutecio. Es un logro que los científicos creen que les ayudará a comprender las propiedades de los núcleos ricos en neutrones y los procesos que forjan nuevos elementos en la colisión de estrellas de neutrones.
El trabajo, dicen los investigadores, también demuestra el poder de la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB) recientemente terminada de la Universidad Estatal de Michigan, que llevó a cabo su primer experimento en junio de 2022.
No todas las formas de un elemento están construidas de la misma manera. Cada núcleo atómico consta de una serie de partículas subatómicas conocidas como nucleones: protones y neutrones. El número de protones es constante en todas las formas de un elemento y le da a ese elemento su número atómico.
Sin embargo, el número de neutrones puede variar. Estas variaciones determinan lo que se conoce como isótopos de un elemento.
Todos los elementos tienen una serie de isótopos, que se forman con distintos niveles de estabilidad. Algunos se desintegran extraordinariamente rápido, descomponiéndose en elementos más ligeros en una ráfaga de radiación ionizante. Algunos simplemente se mantienen en perfecta estabilidad. Comprender los diferentes isótopos y cómo se comportan ayuda a los científicos a descubrir cómo el Universo produce elementos y a estimar la abundancia de esos elementos en el espacio y el tiempo.
Para forjar sus nuevos isótopos, Tarasov y sus colegas comenzaron con un isótopo de platino con 120 neutrones llamado 198pt. El platino estándar tiene 117 neutrones; el uso de un isótopo más pesado puede cambiar la forma en que se fragmenta el núcleo.
Colocaron estos átomos en el FRIB, que utiliza un acelerador de iones pesados para fragmentar los núcleos atómicos. Se disparan haces de isótopos raros contra un objetivo a velocidades superiores a la mitad de la velocidad de la luz. Cuando alcanzan el objetivo, estos isótopos se fragmentan en isótopos más ligeros del núcleo; Los físicos pueden entonces detectar y estudiar estos isótopos.
En la fragmentación de 198Pt, el equipo de Tarasov descubrió 182tm y 183Tm, con 113 y 114 neutrones respectivamente; el tulio estándar tiene 69 neutrones. También encontraron 186yb y 187Yb, con 116 y 117 neutrones, respectivamente; El iterbio estándar tiene 103 neutrones. Finalmente, encontraron 190Lu, con 119 neutrones; El lutecio estándar tiene 104 neutrones.
Cada uno de estos isótopos se observó en múltiples ejecuciones del acelerador. Esto significa, dicen los investigadores, que FRIB puede usarse para estudiar la síntesis de isótopos ricos en neutrones de elementos pesados en regímenes que hasta ahora han sido bastante descuidados, no por falta de interés, sino por la capacidad de crearlos y detectarlos.
Esto, a su vez, podría ayudarnos a comprender cómo los violentos acontecimientos cósmicos forjan los elementos más pesados del Universo. Cualquier cosa más pesada que el hierro en el Universo sólo puede crearse en condiciones extremas, como las que se observan en las supernovas, por ejemplo, y en las colisiones entre estrellas de neutrones.
Un proceso de nucleosíntesis observado en las colisiones de estrellas de neutrones es el proceso rápido de captura de neutrones, o proceso r. Esto ocurre cuando los núcleos atómicos absorben rápidamente los neutrones que flotan libremente y que se liberan durante la explosión de la kilonova, comenzando su transformación en un elemento más pesado. Así obtenemos oro, estroncio, platino y otros metales pesados.
Dicen que el experimento del equipo se está acercando mucho a reproducir el proceso r. Esto significa que muy pronto podremos tener a nuestra disposición una herramienta que pueda replicar una de las vías de nucleosíntesis observadas en algunos de los eventos más violentos que el Universo tiene para ofrecer.
“Las capacidades únicas del FRIB, incluidos haces primarios muy intensos con energías superiores a las disponibles en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores, lo convierten en una instalación ideal para explorar la región alrededor del número de neutrones N = 126 y más allá”, afirman los investigadores. escribir.
“Los investigadores del FRIB pueden utilizar estas reacciones para producir, identificar y estudiar las propiedades de nuevos isótopos, contribuyendo a los avances en la física nuclear, la astrofísica y nuestra comprensión de las propiedades fundamentales de la materia”.
La investigación ha sido publicada en Cartas de revisión física.