Oxígeno-28: un núcleo mágico que revela muchas sorpresas

Publicado por Adrien - Jueves 3 Octubre 2024 - Otros Idiomas: FR, EN, DE, PT
Fuente: CNRS IN2P3
La estabilidad de un núcleo atómico puede medirse por la energía necesaria para expulsar sus nucleones (protones y neutrones) de las orbitales más externas. En los núcleos llamados mágicos, cuyas orbitales están completamente llenas, la energía necesaria es generalmente mayor. Sin embargo, uno de ellos, el oxígeno-28, parece escapar a esta regla.


Un equipo de la colaboración SAMURAI21-NeuLAND ha demostrado, a través del estudio de un núcleo muy cercano, el flúor-30, que este núcleo no es finalmente mágico y que sus nucleones no están retenidos con mayor fuerza. En su lugar, se instala un régimen de superfluidez, donde los neutrones saltan sin esfuerzo entre orbitales entrelazadas.

Desde que asumieron el desafío de estudiar el oxígeno-28, los científicos de la colaboración SAMURAI en Japón, en la que participan físicos y físicas del IN2P3, han seguido encontrando sorpresas. La última no es menor.

Este núcleo, compuesto por 8 protones y 20 neutrones, es particularmente interesante porque, a pesar de sus características intrínsecas, que deberían hacerlo un núcleo "mágico", es decir, más estable que sus vecinos, resulta ser altamente inestable: su vida útil no excede los 10-20 segundos.

Los físicos, por lo tanto, han buscado comprender mejor su funcionamiento intrínseco para evaluar si, de hecho, debería considerarse mágico. Y lo que han descubierto es muy interesante. La victoria de la inestabilidad se debe a un acercamiento de las orbitales en las que se disponen los nucleones, lo que permite la instalación de un régimen de superfluidez.

¿Superfluidez? Para comprender bien este fenómeno, volvamos a las bases de la física nuclear.

En los núcleos atómicos, la regla establece que cuando uno de ellos tiene justo el número de nucleones para completar sus orbitales, es más estable y se le llama mágico. Este efecto será además amplificado si este llenado óptimo involucra tanto protones como neutrones. En ese caso, hablamos de núcleo doblemente mágico.

El oxígeno-28, con sus 8 protones y 20 neutrones, forma parte de esta supercategoría y, por lo tanto, en teoría, debería tener una estabilidad reforzada. Pero otra regla, igualmente implacable de la física nuclear, actúa en el sentido opuesto. Esta vez es la diferencia entre el número de protones y neutrones la que juega un papel.

Los núcleos más estables tienen cantidades de protones y neutrones casi idénticas. Pero a medida que esta diferencia aumenta, los núcleos se vuelven cada vez menos estables. Con 20 neutrones y 8 protones, el oxígeno-28 tiene una fuerte tendencia a la inestabilidad. Y, al final, no hay duda: con su vida útil ínfima, está claro que las leyes de la inestabilidad dominan por completo. Quedaba por saber por qué.

Para explorar la magicidad del oxígeno-28, los científicos buscan comparar la energía necesaria para arrancar un neutrón del oxígeno-28 con la energía necesaria para hacer lo mismo con el oxígeno-29, que tiene un neutrón adicional. La idea es que, siendo el oxígeno-28 mágico, debería retener con más fuerza sus neutrones que el oxígeno-29. Sin embargo, la vida ultracorta de estos dos isótopos, y especialmente el modo de desintegración del oxígeno-29, hacen que esta prueba sea extremadamente difícil.

Los científicos de la colaboración SAMURAI21-NeuLAND han propuesto sortear este problema estudiando núcleos muy cercanos en número de nucleones, como el flúor-30 (9 protones, 21 neutrones) y el flúor-29 (9 protones, 20 neutrones). La proximidad entre los dos elementos permite extrapolar los resultados de los isótopos de flúor a los del oxígeno.

Las medidas obtenidas son concluyentes: la energía necesaria para expulsar un neutrón en cada uno de los dos isótopos de flúor es comparable, lo que demuestra que la configuración mágica y estabilizadora de 20 neutrones ya no existe.

"Estimamos que en esta configuración, que involucra núcleos muy poco ligados y muy inestables, las orbitales claramente definidas que solemos encontrar dejan lugar a un enredo de orbitales entre las cuales los neutrones pueden moverse libremente, explica Olivier Sorlin, investigador del GANIL y participante en el estudio de SAMURAI21-NeuLAND. Este nuevo régimen que se instala es probablemente el de la superfluidez, donde los neutrones se aparean entre sí y saltan de una órbita a otra de manera indiscriminada. En este contexto, las reglas de la magicidad, determinadas por la completitud o no de ciertas orbitales, ya no se aplican. Es por eso que el oxígeno-28 no es mágico".


Gráfico que muestra la evolución de la energía de separación (Sn) del último neutrón de los isótopos de flúor. Las oscilaciones de la curva se deben al hecho de que los neutrones evolucionan en pares, por lo que esta energía es sistemáticamente mayor en los isótopos que contienen un número par de neutrones en comparación con aquellos que albergan un número impar: arrancar un neutrón aislado requiere menos energía. Entre el flúor-29 y el flúor-30, estas oscilaciones permanecen constantes. Esto prueba que las orbitales de los neutrones están efectivamente entrelazadas. La presencia del número mágico N=20 habría provocado una caída en Sn entre el flúor-29 y el flúor-30.

Pero las sorpresas no terminan ahí. Si bien es la primera vez que se observaría un régimen de superfluidez en núcleos exóticos, los científicos también hicieron otra observación desconcertante.

"Pensábamos hasta ahora que el apareamiento de los neutrones en un contexto de superfluidez ocurría en el núcleo atómico solo a largas distancias, cuando los dos neutrones de un par se encuentran en regiones alejadas del núcleo, continúa Olivier Sorlin. Sin embargo, los modelos teóricos que replican los resultados experimentales de los núcleos de flúor y oxígeno sugieren que los pares de neutrones están mucho más cercanos. Si este resultado fuese confirmado por los nuevos experimentos más específicos, previstos por la colaboración SAMURAI, se cambiarían las reglas en materia de superfluidez".

Como se puede entender, con esta aparición inesperada de la superfluidez en lugar de la magicidad, la colaboración SAMURAI ha abierto el camino hacia una nueva y apasionante búsqueda.
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