Supernovas en el laboratorio

Científicos del Instituto de Física Corpuscular de Valencia, utilizando los potentes haces de núcleos radiactivos de un laboratorio alemán, han conseguido medir por primera vez la llamada 'emisión retardada de neutrones de la desintegración beta' en los núcleos atómicos más pesados analizados hasta ahora. Se trata de reacciones clave para comprender la estructura y el origen de los elementos más pesados del universo, que se supone surgieron durante las explosiones estelares.

Ilustración de una supernova, una explosión estelar en la que se supone se originan los elementos más pesados. / Chandra/NASA.

Los elementos de la tabla periódica se crearon en las estrellas a partir de los más simples, hidrógeno y helio. Los más pesados, como el platino, el oro o el uranio, se originaron probablemente durante la muerte de estrellas gigantes, cuando colapsan en una explosión supernova. Ahora, un grupo de investigadores del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-Universidad de Valencia) ha creado en el laboratorio algunos de los núcleos más pesados que se producen en este tipo de cataclismos cósmicos para medir por primera vez un proceso clave en la formación de estos elementos. Los resultados, que publican en Physical Review Letters, permitirán mejorar las teorías que explican la estructura nuclear y entender la producción de los elementos más pesados del universo.

Ante la falta de datos sobre escenarios tan extremos como las supernovas o colisiones de sistemas binarios de estrellas de neutrones, los investigadores tratan de reproducir y analizar en el laboratorio los productos o 'cenizas' de estos eventos. Es lo que han hecho los físicos del IFIC utilizando los intensos haces de núcleos radiactivos del laboratorio GSI (Darmstadt, Alemania).

Los investigadores colisionaron núcleos de uranio con un blanco fijo para que estos se desintegren dando lugar a otros núcleos extremadamente inestables (exóticos), como ocurre en las explosiones de supernova cuando se forman los elementos, lo que se conoce como ‘nucleosíntesis explosiva’.

En este proceso juega un papel fundamental la llamada desintegración beta, por la que los núcleos exóticos ‘buscan’ la estabilidad transformando en su interior neutrones en protones. Conocer los detalles de la desintegración beta es muy importante: el tiempo que tardan en desintegrarse los núcleos exóticos determina la escala temporal de estos procesos de nucleosíntesis explosiva, mientras que el número de neutrones emitidos influye en las abundancias de los elementos pesados que encontramos en la naturaleza.

Así, los investigadores del IFIC han sido los primeros en medir el proceso de emisión retardada de neutrones que se produce en la desintegración beta en los núcleos más pesados estudiados hasta el momento, que se sitúan alrededor del número mágico de 126 neutrones. Los ‘números mágicos’ son agrupaciones de nucleones (protones y neutrones) en torno a una determinada cantidad (2, 8, 20, 28, 50, 82, 126) que corresponde a completar una ‘capa’ del núcleo, lo que les confiere mayor estabilidad. Los núcleos estudiados son muy ricos en neutrones, se desintegran en segundos y dan lugar a elementos como el platino o el oro.

Desintegración beta de 20 elementos pesados

Este proceso solo se había medido en 230 de los 5.000 núcleos que se forman en este tipo de entornos estelares explosivos. En el artículo se ofrecen medidas de la desintegración beta de 20 elementos pesados, 9 de ellos publicados por primera vez, y cuantifican la emisión de neutrones en varios de ellos. Según César Domingo Pardo, investigador del IFIC que participa en el estudio, “estas medidas servirán para constreñir los modelos teóricos del núcleo atómico y las condiciones físicas de los escenarios estelares explosivos que dan lugar a los núcleos pesados en el Universo”.

“En la actualidad solo hay tres modelos globales que describen el núcleo atómico, y, para los núcleos más pesados como los empleados en este estudio, todos fallan en las predicciones de las vidas medias de la desintegración beta”, revela Domingo. Así, los nuevos datos experimentales obtenidos ayudaran a mejorar los cálculos teóricos para describir la física nuclear que determina la producción de elementos pesados como el oro y el uranio.

Estas medidas se realizaron con BELEN (Beta dELayEd Neutron detector), un detector de neutrones diseñado y construido conjuntamente por el IFIC y la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) para el futuro laboratorio europeo de física nuclear FAIR. Este dispositivo ya se usa en este tipo de experimentos en instalaciones como JYFL (Finlandia), GSI (Alemania) o RIKEN (Japón). El trabajo publicado forma parte de la tesis doctoral de Roger Caballero Folch (UPC), quien actualmente realiza una estancia postdoctoral en TRIUMF (Vancouver).

Referencia bibliográfica:

R. Caballero-Folch et al."First Measurement of Several β-Delayed Neutron Emitting Isotopes Beyond N=126", Phys. Rev. Lett. 117, 012501, 2016.

Fuente: CPAN-IFIC