Un novedoso aparato del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE) ha realizado mediciones extremadamente precisas de núcleos de rutenio inestables. Las mediciones son un hito importante en la física nuclear porque coinciden estrechamente con las predicciones realizadas por modelos nucleares sofisticados.
"Es muy difícil para los modelos teóricos predecir las propiedades de núcleos complejos e inestables", dijo Bernhard Maass, físico asistente en Argonne y autor principal del estudio. "Hemos demostrado que una clase de modelos avanzados puede hacer esto con precisión. Nuestros resultados ayudan a validar los modelos".
Validar los modelos puede generar confianza en sus predicciones sobre procesos astrofísicos. Estos incluyen la formación, evolución y explosiones de estrellas donde se crean los elementos.
El estudio fue publicado enCartas de revisión física.
La necesidad de validar modelos teóricos
Los físicos nucleares están desarrollando modelos teóricos más avanzados para predecir con precisión las propiedades de núcleos atómicos inestables con estructuras, formas y fuerzas complicadas. Estos modelos tienen el potencial de profundizar nuestra comprensión del funcionamiento interno de los núcleos atómicos.
Sin embargo, es esencial demostrar la precisión de estos modelos antes de que puedan utilizarse para ampliar las fronteras de la ciencia. Esto requiere la difícil tarea de recopilar mediciones precisas y reales-de núcleos complejos en el mundo real y compararlas con las predicciones de los modelos.
El rutenio es un elemento ideal para validar modelos teóricos avanzados. Este metal raro tiene isótopos-átomos del mismo elemento con un número diferente de neutrones y estabilidad variable-que se sabe que tienen núcleos con estructuras y formas complejas. Hay una serie de isótopos de rutenio radiactivos e inestables que se cree que tienen forma triaxial, similar a una almendra o un grano de café.
Medición de las propiedades del rutenio.
El equipo de investigación utilizó el aparato Argonne Tandem Hall Laser Beamline for Atom and Ion Spectroscope (ATLANTIS) para medir nueve isótopos radiactivos de rutenio. Este nuevo dispositivo se instaló en el Sistema Acelerador Argonne Tandem Linac (ATLAS).
ATLAS es una instalación para usuarios del DOE en Argonne con un acelerador lineal superconductor diseñado para estudiar las propiedades de los núcleos.
Los investigadores obtuvieron acceso a isótopos radiactivos de rutenio de otro instrumento ATLAS, el Californium Rare Isotope Breeder Upgrade (CARIBU). CARIBU puede liberar rutenio radiactivo mediante la fisión de una pequeña cantidad de californio-un elemento raro y altamente radiactivo.
"Los isótopos de rutenio que estudiamos duran sólo un segundo antes de descomponerse en otros elementos", dijo Maass. "ATLANTIS realiza una técnica llamada espectroscopia láser colineal. Nos permite recopilar mediciones de cantidades muy pequeñas de estos isótopos en menos de un segundo".
Utilizando ATLANTIS, los investigadores dirigieron un rayo láser a lo largo del mismo camino que un rayo de átomos de rutenio. A determinadas frecuencias del láser, los átomos se excitaron y comenzaron a emitir fluorescencia, lo que indica que se emitieron fotones de luz. El equipo identificó las frecuencias del láser en las que las emisiones de fotones alcanzaban su punto máximo. Este proceso se repitió para los nueve isótopos de rutenio. Para cada isótopo, el pico de emisión cambió a una frecuencia ligeramente diferente.
"Podemos utilizar este cambio de isótopos para derivar las diferencias en los tamaños nucleares de los isótopos", dijo Maass.
El equipo comparó estos cambios de tamaño con las predicciones de Bruselas-Skyrme-sobre-a-Grid (BSkG), que se encuentran entre los modelos de estructura nuclear más avanzados del mundo. A diferencia de los modelos nucleares tradicionales más antiguos, tienen en cuenta las fuerzas e interacciones específicas entre todos los neutrones y protones de un núcleo.
Los investigadores encontraron una excelente concordancia entre sus resultados y las predicciones de los modelos BSkG, lo que apunta a la solidez de los modelos.
En particular, al tratar de permitir mediciones precisas, el equipo también avanzó en la tecnología de espectroscopia láser colineal. Específicamente, desarrollaron e implementaron nuevas técnicas efectivas que neutralizan el haz de átomos y lo "agrupan" en pulsos.
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Implicaciones para la astrofísica
El estudio demostró que los modelos BSkG pueden hacer predicciones de núcleos triaxiales inestables con una precisión notable. Modelos tan poderosos pueden ayudar a los astrofísicos a arrojar luz sobre cómo funciona el universo.
"Los astrofísicos saben que los núcleos radiactivos inestables desempeñan un papel importante en la formación de estrellas y elementos del universo", afirmó Maass.
"Para comprender mejor nuestro universo, necesitamos saber cómo están estructurados los núcleos y cómo interactúan. Necesitamos poder predecir propiedades de núcleos exóticos que no se pueden producir en los aceleradores de partículas modernos".
Tres de los autores del estudio desarrollaron los modelos BSkG: Wouter Ryssens y Guilherme Grams, ambos de la Universidad libre de Bruselas en Bélgica, y Michael Bender del Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon en Francia.
Además de Maass, Ryssens, Grams y Bender, los experimentos y la construcción de ATLANTIS fueron una colaboración entre investigadores de Argonne (Daniel Burdette, Jason Clark, Peter Mueller, Daniel Santiago-González, Guy Savard y Adrian Valverde), la Universidad Técnica de Darmstadt en Alemania y el Fondo para Haces de Isótopos Raros de la Universidad Estatal de Michigan.
ATLANTIS está disponible para que las instituciones colaboradoras realicen mediciones de espectroscopía láser colineal para una variedad de necesidades de investigación. Para explorar oportunidades de colaboración, comuníquese con Maass.
