Un átomo perfectamente equilibrado desafía las reglas de la física nuclear

Durante décadas, los físicos nucleares consideraron que las "Islas de Inversión" se encontraban principalmente en isótopos ricos en neutrones. Estas regiones inusuales del gráfico nuclear son lugares donde la estructura normal de los núcleos atómicos deja de seguir las reglas esperadas. En estos casos, los números mágicos desaparecen, las formas nucleares redondeadas se rompen y el núcleo puede transformarse en una forma altamente distorsionada.

Hasta ahora, cada ejemplo conocido se había presentado en núcleos inestables y ricos en neutrones. Ejemplos de esto incluyen el berilio-12 (N = 8), el magnesio-32 (N = 20) y el cromo-64 (N = 40). Todos estos isótopos se encuentran lejos de los elementos estables comúnmente encontrados en la naturaleza.

Un descubrimiento sorprendente en el molibdeno

Un nuevo estudio realizado por un equipo de investigación internacional ha revelado algo inesperado. Científicos del Centro para Estudios Nucleares Exóticos, Instituto de Ciencia Básica (IBS), Universidad de Padova, Universidad Estatal de Michigan, Universidad de Estrasburgo, entre otros, identificaron una Isla de Inversión en un lugar que nadie anticipaba.

En lugar de aparecer en núcleos pesados en neutrones, la región recién descubierta existe en una de las partes más simétricas del gráfico nuclear, donde el número de protones y neutrones es igual.

Investigación de isótopos raros de molibdeno

Los investigadores se centraron en dos isótopos de molibdeno: molibdeno-84 (Z = N = 42) y molibdeno-86 (Z = 42, N = 44). Ambos se encuentran en la línea N = Z, especialmente relevante 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 altamente sensibles, el equipo midió con precisión las vidas de estados nucleares excitados en la escala de picosegundos.

Para generar el haz requerido, los científicos aceleraron iones de Mo-92 y los dispararon contra un objetivo 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. Luego, el haz de Mo-86 se dirigió a un segundo objetivo. Durante este paso, algunos núcleos se excitaban, mientras que otros perdían dos neutrones y se transformaban 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.

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 interacciones individuales de rayos gamma. Los científicos también utilizaron TRIPLEX, un instrumento diseñado para medir vidas extremadamente cortas que solo duran billonésimas de segundo.

Los investigadores compararon las mediciones con simulaciones de Monte Carlo de GEANT4. Esto les permitió determinar las vidas de los primeros estados nucleares excitados y estimar cuánto se distorsionaron los núcleos de una forma esférica.

Diferencias notables entre Mo-84 y Mo-86

Los resultados mostraron un contraste sorprendente entre los dos isótopos. A pesar de que Mo-84 y Mo-86 difieren en solo dos neutrones, su comportamiento es muy diferente.

Mo-84 exhibe una cantidad inusualmente grande de movimiento colectivo. Esto significa que muchos protones y neutrones se mueven juntos a través de una importante brecha de capas. Los físicos nucleares describen este fenómeno como una "excitación de partícula-hueco". En este proceso, algunos nucleones saltan a orbitales de energía más altos, convirtiéndose en partículas, mientras dejan espacios vacíos, o huecos, en orbitales de energía más bajos.

Cuando muchos nucleones participan en estas transiciones coordinadas, el núcleo se deforma fuertemente.

Excitaciones de partículas-huecos y deformación nuclear

Cálculos teóricos detallados ayudaron a explicar por qué los dos isótopos se comportan de manera tan diferente. En Mo-84, protones y neutrones experimentan excitaciones de partículas-huecos simultáneas muy grandes. De hecho, el núcleo experimenta efectivamente una reorganización de 8 partículas y 8 huecos. Esta extensa reorganización produce una forma nuclear altamente deformada.

El efecto surge de la interacción entre la simetría de protones y neutrones y un estrechamiento de la brecha de capas 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 pueden reproducirse sin tener en cuenta las fuerzas de tres nucleones. En estas interacciones, tres nucleones influyen entre sí simultáneamente. Los modelos que solo incluyen interacciones tradicionales de dos nucleones no logran producir la estructura observada.

Una nueva isla de inversión

Mo-86 se comporta de manera bastante diferente. Exhibe excitaciones más modestas de 4p-4h y, por lo tanto, permanece mucho menos deformado.

En conjunto, los hallazgos muestran que Mo-84 se sitúa dentro de una nueva "Isla de Inversión", mientras que Mo-86 se encuentra fuera de esta región.

Esta "Isla de Inversión simétrica en isospín" en el núcleo N = Z de Mo-84 representa el primer ejemplo conocido de una Isla de Inversión en un sistema simétrico de protones y neutrones. El descubrimiento desafía suposiciones de larga data sobre dónde pueden formarse estas inusuales regiones nucleares y ofrece nuevas perspectivas sobre las fuerzas fundamentales que mantienen unidos a los núcleos atómicos.

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