Un equipo do IGFAE atopa unha resonancia única no berilio-10

Un equipo do IGFAE participa nun traballo que descubriu unha resonancia única no berilio-10, un isótopo radioactivo deste elemento químico. A investigación, publicada na revista Physical Review Letters, atopou esta resonancia a 7,27 MeV (megaelectronvoltios), xusto por baixo do limiar de enerxía á que poderían liberarse partículas alfa. Isto suxire que o berilio-10 excitado a esta enerxía presenta unha forte estrutura de cúmulos alfa, comportándose como dúas partículas alfa e dous neutróns unidos.

O experimento desenvolveuse no acelerador ReA6, situado na Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) da Universidade Estatal de Michigan, nos Estados Unidos. Desde o IGFAE participaron Yassid Ayyad, investigador Ramón y Cajal e un dos autores principais do artigo, e Alicia Muñoz, estudante de doutoramento. Neste traballo, Yassid Ayyad realizou a análise dos datos utilizando un marco desenvolvido polo persoal do IGFAE, incluída Alicia Muñoz. As ferramentas utilizadas neste estudo serán importantes para futuras investigacións sobre núcleos atómicos raros e exóticos, en particular para a agrupación en núcleos.

Agrupación, ou ‘clustering’

“A agrupación (en inglés, clustering) é un fenómeno universal que se pode observar na natureza a múltiples escalas. A nivel microscópico podemos velo na autoorganización de bacterias ou micropartículas, impulsada por reaccións químicas. Se nos imos a unha escala cósmica, vese claramente na formación de cúmulos de galaxias, que son as estruturas ligadas pola gravidade máis grandes do universo”, explica Yassid Ayyad.

Pero o fenómeno da agrupación tamén se estende ao ámbito máis pequeno, a escala subatómica e nuclear. Aquí, os protóns e os neutróns dos núcleos poden reorganizarse e formar cúmulos de helio ou alfa. A este nivel, a agrupación pode atribuírse á complexa natureza do sistema cuántico aberto de moitos corpos.

Como exemplo arquetípico da agrupación nos núcleos atómicos adoita citarse ao estado de Hoyle do carbono-12, unha resonancia de tres partículas alfa responsable da produción de carbono estelar mediante o coñecido como proceso triplo alfa, polo cal tres núcleos de helio transfórmanse nun de carbono.

En isótopos raros con exceso de neutróns, a agrupación do núcleo atómico pode adoptar estruturas exóticas. Este é o caso do berilio-10, un núcleo composto por dúas partículas alfa e dous neutróns. No traballo publicado por Physical Review Letters utilizouse o berilio-10 (¹⁰Be), un isótopo radioactivo que se xera, principalmente, a partir da fisión nuclear de núcleos de osíxeno ou hidróxeno situados na atmosfera, que son golpeados por raios cósmicos. Para coñecer as súas propiedades, neste caso estudouse a dispersión producida pola interacción entre un feixe de partículas (neste caso, o berilio-10) e un branco composto por gas de deuterio puro.

Ao realizar o experimento, o equipo atopou unha resonancia a 7,27 millóns de electronvoltios (MeV), xusto por baixo da enerxía á que poderían liberarse as partículas alfa. Isto suxire que o berilio-10 excitado a esta enerxía presenta unha forte estrutura de cúmulos alfa, comportándose como dúas partículas alfa e dous neutróns unidos. Os achados confirmáronse mediante un modelo de catro corpos que simula estas interaccións. Esta interacción pode revelar información importante sobre a estrutura e as propiedades dos materiais a nivel atómico.

Os deuteróns dispersos medíronse utilizando a Cámara de Proxección de Tempo de Blanco Activo (AT-TPC), un detector gaseoso, ou branco activo, deseñado para estudar reaccións que involucran fas de isótopos raros, que adoitan ter intensidades moi baixas. O uso deste instrumento foi clave para o achado, xa que, aínda que o berilio-10 estudouse exhaustivamente ao longo dos anos, esta resonancia non se descubriu ata o de agora.

Conceptos clave:

Resonancia: un estado resonante nuclear representa unha disposición transitoria e metaestable de protóns e neutróns dentro dun núcleo atómico, que se produce a niveis de enerxía precisos e exhibe propiedades de mecánica cuántica similares a unha configuración nuclear fugaz e altamente excitada.

Dispersión nuclear: prodúcese cando un feixe de partículas (no caso deste traballo, o berilio-10) interacciona cos núcleos atómicos doutro elemento (neste caso, gas de deuterio puro). Esta interacción achega datos relevantes para coñecer a estrutura e propiedades dos materiais a nivel atómico.

Partículas alfa: radiación ionizante composta por dous protóns e dous neutróns (como o núcleo dun átomo de helio). Emítese durante o proceso de desintegración alfa. Estas partículas teñen unha carga positiva e unha masa relativamente grande, polo que a súa poder de penetración é moi baixo (fréanse cunha folla de papel, ou a pel humana).

Sobre o IGFAE

O Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), é un centro de investigación creado en 1999 pola Universidade de Santiago de Compostela e a Xunta de Galicia. Naceu co obxectivo de coordinar e fomentar a investigación científica e técnica nos campos da Física de Alta Enerxía, Partículas e Nuclear, e áreas relacionadas como a Astrofísica, a Física Médica ou a Instrumentación. Acolle a arredor de 140 persoas que participan en instalacións experimentais como o CERN, o Observatorio Pierre Auger, LIGO ou GSI/FAIR, entre outras.

O centro foi acreditado en dúas ocasións (2017 e 2023) como Unidade de Excelencia María de Maeztu por parte da Axencia Estatal de Investigación do Goberno de España. Tamén forma parte da rede CIGUS da Xunta de Galicia, que acredita a calidade e o impacto da súa investigación. Está cofinanciado pola Unión Europea a través do Programa Galicia Feder 2021-2027.