Un equipo del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) participa en la primera evidencia directa de un tipo de desintegración de núcleos atómicos exótica que desafía las leyes de la física. Los resultados del experimento, publicados en Physical Review Letters, contribuyen a la comprensión de los sistemas cuánticos abiertos a través de la estructura ligada y no ligada del núcleo

Los núcleos radioactivos o exóticos son inestables y se caracterizan por tener un número dispar de protones y neutrones. Estos núcleos buscan la estabilidad deshaciéndose del exceso de los protones y neutrones ‒nucleones‒ a través del modo de desintegración predominante, la desintegración beta. Dicho de otro modo, un núcleo rico en neutrones se desintegrará emitiendo los neutrones en exceso, además de un electrón y un antineutrino.  Sin embargo, es mucho más infrecuente la emisión de un protón en la desintegración de un núcleo rico en neutrones, dado que desafía las leyes energéticas que mantienen al núcleo ligado. Pero existen ciertos núcleos donde este tipo de desintegración exótica es posible. Estos son los llamados núcleos halo donde uno o dos neutrones orbitan alrededor del resto compacto de nucleones.

De entre los núcleos halo existentes, el mejor candidato por sus propiedades es el berilio-11 (11Be), un isótopo inestable del berilio con 4 protones y 7 neutrones. La desintegración más común del berilio-11 es el boro-11 (11B) con 5 protones y 6 neutrones, que a su vez se desintegra en litio-7 y helio-4 (7Li+4He). En el caso de la posible emisión de protones, el berilio-11 podría convertirse en berilio-10 y un protón. Este proceso se conoce como emisión retardada de protones y fue observado directamente en berilio-11 en 2019, no sin recibir diversas críticas de su existencia debido a la complejidad del experimento. Como respuesta, el investigador del IGFAE Yassid Ayyad y colegas estadounidenses y suizos idearon en 2021 el experimento inverso: disparar un haz de berilio-10 contra un blanco de protones para acceder al boro-11, un estado excitado del berilio-11. Y funcionó. Los resultados se han publicado en Physical Review Letters. Además, existen ciertas teorías donde se especula que en este proceso se podría observar la emisión de una partícula de materia oscura.

Críticas a las primeras evidencias

La emisión retardada de protones en berilio-11 ya la observaron directamente en 2019 en un experimento donde midieron los protones emitidos a muy baja energía en el laboratorio TRIUMF (Vancouver, Canadá) [1].  Emplearon una cámara de proyección temporal (TPC, un detector gaseoso parecido a las pioneras cámaras de niebla), con el que es posible observar las trazas de las partículas emitidas por el berilio-11. Los resultados obtenidos fueron bastante sorprendentes: el 0.00001% de las veces, el berilio-11 se desintegra escupiendo un protón. “Aunque pueda parecer una cantidad pequeña, es órdenes de magnitud mayor que las predicciones teóricas y solo 1.000 veces menor que la desintegración más común en 7Li+4He”, explica el investigador del IGFAE Yassid Ayyad, quien propuso el experimento inicialmente. El motivo por el cual esta probabilidad es tan grande no está resuelto aún y tiene mucho que ver con la peculiar estructura del boro-11. En este núcleo predomina la clusterización α, o lo que es lo mismo, siempre que pueda, formará una partícula de 4He dentro del núcleo.  Esto se traduce en que es más fácil desde un punto de vista energético arrancarle una partícula α que un protón. Teniendo esto en cuenta, la emisión de protones se producirá a través de un estado excitado del boro-11 muy cercano del umbral energético de emisión de protones, dejando como residuo un núcleo de berilio-10. Este estado excitado no está ligado y lo que realmente se forma es un sistema nuclear de berilio-10 más un protón con unas propiedades bien definidas que el experimento consiguió medir.

Segundo intento: la confirmación definitiva

Dada la complejidad del experimento y los resultados asombrosos que se obtuvieron, no tardaron en aparecer diversas críticas que ponían en duda la existencia de tal sistema nuclear, tanto desde el punto de vista experimental como del teórico.  Como respuesta a estas críticas, se realizó un experimento utilizando la reacción inversa: si tal sistema existe, debería formarse en la reacción elástica 10Be+p. Este experimento se realizó en 2021 en la Facility For Rare Isotope Beams (FRIB) de la Michigan State University (MSU) en Estados Unidos. Para ello se usó un haz de berilio-10 a muy baja energía contra un blanco de protones. Los resultados obtenidos no solo confirman su existencia y propiedades, sino también su alta probabilidad de emitir un protón. Su forma es muy característica y es prueba de las propiedades de este tipo de sistemas donde el estado el núcleo está en una zona de transición entre ligado y no ligado. En otras palabras, puede tratarse como un sistema cuántico abierto donde las propiedades de los estados ligados y no ligados están sujetas a su mutua interacción. En este contexto, el núcleo representa el sistema cuántico que interacciona con el sistema de estados no ligados, también llamado continuo. Además, también se infirió un aspecto importante: la emisión de litio-7+helio-4 también es posible. “Lamentablemente, no observamos directamente este proceso, pero en los próximos meses realizaremos un experimento dedicado a determinar las propiedades de este canal. Pese al intensivo esfuerzo experimental realizado la teoría que intenta casar reacción y estructura nuclear sigue sin poder explicar satisfactoriamente la existencia de la resonancia y sus propiedades”, concluye Yassid.

Referencias:

[1] Y. Ayyad, B. Olaizola, W. Mittig, G. Potel, V. Zelevinsky, M. Horoi, S. Beceiro-Novo, M. Alcorta, Andreoiu, T. Ahn, M. Anholm, L. Atar, A. Babu, D. Bazin, N. Bernier, S. S. Bhattacharjee, Bowry, R. Caballero-Folch, M. Cortesi, C. Dalitz, E. Dunling, A. B. Garnsworthy, M. Holl, Kootte, K. G. Leach, J. S. Randhawa, Y. Saito, C. Santamaria, P. Sˇiuryte˙, C. E. Svensson, Umashankar, N. Watwood, and D. Yates. Direct observation of proton emission in 11Be. Phys. Rev. Lett., 123:082501, Aug 2019.

Artículo:

Evidence of a near-threshold resonance in 11B relevant to the β-delayed proton emission of 11Be. Y. Ayyad et al. Phys. Rev. Lett. 129, 012501. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.012501

Imagen principal: el investigador del IGFAE Yassid Ayyad, autor de la propuesta del experimento y gran parte del análisis de los datos. Crédito: Elena Mora (IGFAE).

Imagen: en el experimento del equipo publicado en 2019, el berilio-11 se desintegra a través de la desintegración beta a un estado excitado de boro-11, que a su vez se desintegra en berilio-10 y un protón. En el nuevo experimento, el equipo accede al estado de boro-11 agregando un protón al berilio-10, es decir, ejecutando la reacción invertida en el tiempo. Crédito: Michigan State University.