Una nueva forma de sodio, el elemento que se combina con el cloro para formar sal, contiene 28 neutrones en su núcleo atómico, junto con los 11 protones que definen su identidad química. Con más del doble de los 13 neutrones del sodio natural, el isótopo rico en neutrones del elemento es tan extremo que pocos modelos teóricos predijeron su existencia. “Es una sorpresa que estos neutrones sigan aguantando”, dice Katherine Grzywacz-Jones, física nuclear de la Universidad de Tennessee, Knoxville, que no participó en el trabajo.
Investigadores del Centro RIKEN Nishina de Japón para la ciencia basada en aceleradores crearon solo un puñado de núcleos de sodio-39. Pero su mera existencia desafía la comprensión de los físicos de la estructura nuclear. También sugiere que rastrear el proceso por el cual las estrellas en explosión forjan muchos elementos, un objetivo de una nueva e importante instalación en los Estados Unidos, puede ser más difícil de lo que se pensaba.
Hace tres años, un experimento con el acelerador de partículas del centro RIKEN, un ciclotrón superconductor llamado Fábrica de haces de isótopos radiactivos, produjo un indicio tentador de un solo núcleo de sodio-39. «Por lo tanto, repetimos el experimento con una intensidad de haz mucho más alta y un tiempo de haz más largo», dice Toshiyuki Kubo, físico nuclear de RIKEN.
El equipo de 26 miembros de Kubo disparó un haz de núcleos de calcio-48 a través de un objetivo de berilio para triturarlos y canalizó los fragmentos a través de una cadena serpenteante de imanes llamada BigRIPS. Los investigadores ajustaron esa chicana para que solo el sodio-39 o un núcleo con una relación masa-carga similar pudiera atravesarla. La energía que un núcleo depositaba en un detector al final revelaba su carga. A partir de la carga y la masa, Kubo y sus colegas pudieron contar fácilmente los protones y neutrones de un núcleo. Disparando 500 cuatrillones de núcleos de calcio-48 a través del objetivo, espió nueve núcleos de sodio-39informan en un artículo en prensa en Cartas de revisión física.
Predecir qué combinaciones de protones y neutrones se unirán en un núcleo puede ser complicado. Los protones y los neutrones se mantienen unidos mediante el intercambio de partículas llamadas piones, y un efecto mecánico cuántico favorece los núcleos con un número similar de protones y neutrones. Pero los protones cargados eléctricamente se repelen entre sí, inclinando la balanza hacia menos protones. Los núcleos también varían desde un solo protón hasta cientos de protones y neutrones, y diferentes enfoques teóricos tienden a funcionar mejor en diferentes rangos de masas.
«De lejos, la mayoría de los modelos no predijeron que el sodio-39 debería unirse», dice Brad Sherrill, físico nuclear de la Universidad Estatal de Michigan y autor del artículo. Sin embargo, hace 2 años, Witold Nazarewicz, un teórico nuclear de la Universidad Estatal de Michigan, y sus colegas intentaron predecir todos los núcleos posibles promediando las predicciones del modelo, cada uno ponderado por su incertidumbre. Eso dio un 50% de probabilidad de que existiera el sodio-39. «Es el [RIKEN] ¿resultado sorprendente? dice Nazarewicz. «No. ¿Es importante? Sí.»
Agrega un detalle importante al panorama nuclear, dice. Los físicos trazan núcleos conocidos y predichos en un gráfico similar a un tablero de ajedrez, con el número de protones subiendo verticalmente y el número de neutrones aumentando de izquierda a derecha. Los núcleos forman una amplia franja en diagonal a lo largo del gráfico, cuyo borde inferior se denomina línea de goteo de neutrones. Marca el límite en el que se vuelve imposible meter más neutrones en un núcleo con un número dado de protones. Y solo se conoce hasta el neón, elemento 10.
La línea de goteo de neutrones ha dado sorpresas antes. Por ejemplo, salta de 16 neutrones para el oxígeno (elemento 8) a 22 neutrones para el flúor (elemento 9). Para explicar ese salto, los teóricos tuvieron que incluir fuerzas no solo entre pares de protones y neutrones en un núcleo, sino también entre tríos, dice Sherrill. Alguna otra parte de la física pasada por alto puede explicar por qué la línea de goteo parece saltar cuatro neutrones de neón-34 a sodio-39.
Los resultados podrían complicar un objetivo para los físicos. La mitad de todos los elementos más pesados que el hierro emergen de las explosiones de supernovas, ya que los núcleos absorben rápidamente los neutrones que brotan de la explosión incluso cuando experimentan repetidamente la desintegración beta radiactiva, en la que un neutrón en un núcleo escupe un electrón y se transforma en un protón. La identificación precisa de los núcleos en el proceso es una prioridad para un nuevo acelerador lineal de $ 730 millones llamado Instalación para haces de isótopos raros (FRIB) en el estado de Michigan. Si la línea de goteo se encuentra más alejada, esos núcleos pueden contener más neutrones y ser más difíciles de producir, dice Sherrill.
Los primeros resultados del FRIB, que se puso en marcha en mayo, examinan los núcleos cerca del sodio-39. Los investigadores también trituraron un haz de calcio-48 para crear isótopos ricos en neutrones de magnesio, aluminio, silicio y fósforo, los elementos que siguen al sodio, y midió la rapidez con que se descomponen betainforma el equipo en un artículo en prensa en Cartas de revisión física. En otro dato para informar a los modelos, la vida media del magnesio-38 fue sorprendentemente corta, dice Heather Crawford, física nuclear del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y autora principal.
Para el experimento de Crawford, FRIB produjo un haz una doceava parte más intenso que el del estudio RIKEN. En unos pocos años, FRIB debería aumentar la intensidad de su haz 400 veces, haciendo posible rastrear la línea de goteo de neutrones más arriba en el gráfico, señala Crawford. “A medida que FRIB aumenta su poder, esa es una de las primeras cosas que espero que se persiga”.
