Científicos desvelan un misterio nuclear de 20 años sobre la creación del oro

El oro y otros elementos pesados nacen en algunos de los eventos más violentos del universo. Sin embargo, los científicos han enfrentado dificultades para entender los pasos nucleares que llevan a su creación. Recientemente, un equipo de físicos nucleares de la Universidad de Tennessee (UT) realizó tres descubrimientos clave que aclaran cómo los núcleos atómicos inestables se descomponen durante el proceso de captura rápida de neutrones, conocido como r-process, responsable de forjar elementos como el oro y el platino.

Los elementos pesados, como el oro y el platino, se forman en condiciones extraordinarias, como cuando las estrellas colapsan, explotan o colisionan. Estos eventos desencadenan el proceso de captura rápida de neutrones, donde un núcleo atómico absorbe neutrones de manera sucesiva. A medida que el núcleo se vuelve más pesado e inestable, finalmente se descompone en formas más ligeras y estables.

Un aspecto común de este proceso involucra la descomposición beta del núcleo padre, seguida de la liberación de dos neutrones. Sin embargo, los núcleos atómicos implicados en estas reacciones son extremadamente raros e inestables, lo que dificulta su estudio directo en experimentos. Por esta razón, los científicos dependen en gran medida de modelos teóricos, que deben ser probados y refinados con datos de laboratorio.

Para investigar el proceso más de cerca, los investigadores de UT colaboraron con científicos de varias instituciones. El equipo incluyó a estudiantes de posgrado como Peter Dyszel y Jacob Gouge, junto con el profesor Robert Grzywacz, el profesor asociado Miguel Madurga y la investigadora asociada Monika Piersa-Silkowska. Su trabajo se basó también en métodos de análisis de datos desarrollados por el profesor asistente de investigación Zhengyu Xu.

Los investigadores comenzaron con grandes cantidades del isótopo raro indio-134. "Estos núcleos son difíciles de producir y requieren mucha nueva tecnología para sintetizarlos en cantidades suficientes", explicó Grzywacz. El equipo llevó a cabo los experimentos en la Estación de Decaimiento ISOLDE en CERN, donde se produjeron abundantes núcleos de indio-134 y se utilizaron técnicas avanzadas de separación láser para asegurar su pureza. Cuando el indio-134 se descompone, genera formas excitadas de estaño-134, estaño-133 y estaño-132.

Utilizando un detector de neutrones financiado por el programa de Instrumentación de Investigación Mayor de la National Science Foundation y construido en UT, los científicos hicieron tres hallazgos importantes. El resultado más significativo fue la primera medición de las energías de los neutrones asociadas con la emisión beta retrasada de dos neutrones.

La emisión beta retrasada de dos neutrones 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. "El desafío es que los neutrones tienden a rebotar. Es difícil determinar si se trata de uno o dos", explicó Grzywacz. En intentos anteriores, "nadie midió energías", por lo que este enfoque "abre un campo completamente nuevo".

Este estudio marca la primera investigación detallada sobre la emisión de dos neutrones de un núcleo que se encuentra a lo largo de la ruta del r-process. Los resultados proporcionan información valiosa para mejorar los modelos que describen cómo los eventos estelares crean elementos pesados como el oro.

La segunda gran descubrimiento del equipo fue la primera observación de un estado de neutrón de partícula única en el estaño-133, que había sido predicho durante mucho tiempo. Según Grzywacz, el núcleo comienza en un estado excitado y debe liberar energía para estabilizarse. "El estaño está en un estado excitado. (Él) debe enfriarse. Puede expulsar un neutrón o, con suficiente energía, puede expulsar dos neutrones. Siempre debería expulsar dos neutrones, pero no lo hace".

Tradicionalmente, se creía que el núcleo de estaño simplemente liberaba neutrones para enfriarse, perdiendo efectivamente cualquier rastro del evento de descomposición 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", afirmó Grzywacz. "Esta 'sombra' del indio no desaparece completamente. La memoria no se borra".

Los avanzados detectores de neutrones 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 descomposiciones liberan un neutrón mientras que otras liberan dos.

El tercer hallazgo del estudio desafió los modelos existentes. Los investigadores observaron una población no estadística de este nuevo estado identificado. En términos simples, la forma en que se pobló el estado durante la descomposición no sigue los patrones que los científicos suelen esperar. Grzywacz explicó que el entorno de descomposición en este experimento es relativamente limpio. Los estados nucleares están separados en lugar de estar amontonados. "No estás haciendo sopa de guisantes partida", dijo. "Sin embargo, en la mayoría de los casos se comporta como sopa de guisantes partida. De alguna manera, este mecanismo estadístico ocurre. ¿Por qué es estadístico, aunque no debería ser y por qué en nuestro caso no lo es?".

Los hallazgos sugieren que a medida que los científicos exploran regiones del paisaje nuclear más alejadas de la estabilidad, particularmente entre núcleos exóticos como el Tennessine, los modelos existentes pueden dejar de ser aplicables. Es probable que se requieran nuevos enfoques teóricos para describir estos sistemas extremos.

La búsqueda de modelos mejorados de estructura nuclear y formación de elementos ofrece grandes oportunidades para 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 en 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 temporización y analizó los datos resultantes. A pesar de su amplio papel, el proyecto se mantuvo como un esfuerzo colaborativo que involucró a muchos investigadores.

"El éxito de este trabajo se debe en parte a mis colegas y colaboradores, cuyo asesoramiento y aportes constructivos fueron cruciales", afirmó Dyszel. Originario de Jacksonville, Florida, se unió a UT después de obtener una licenciatura en física en la Universidad del Norte de Florida. Su interés en la ciencia nuclear comenzó anteriormente durante un curso de química general, cuando aprendió por primera vez sobre la descomposición beta. La idea de que las transformaciones nucleares pudieran crear elementos completamente nuevos con propiedades diferentes capturó su atención, llevándolo inicialmente a considerar un título en química. "No fue hasta que comencé mi licenciatura que pisé una clase de física, lo que instantáneamente me llevó a seguir una carrera en física", explicó. "Siempre he estado interesado en entender cómo funciona el mundo, y la física ha sido y sigue siendo el camino que quiero seguir en busca de esa curiosidad".