Un equipo del IGFAE encuentra una resonancia única en el berilio-10

Un equipo del IGFAE participa en un trabajo que ha descubierto una resonancia única en el berilio-10, un isótopo radiactivo de este elemento químico. La investigación, publicada en la revista Physical Review Letters, ha encontrado esta resonancia a 7,27 MeV (megaelectronvoltios), justo por debajo del umbral de energía a la que podrían liberarse partículas alfa. Esto sugiere que el berilio-10 excitado a esta energía presenta una fuerte estructura de cúmulos alfa, comportándose como dos partículas alfa y dos neutrones unidos.

El experimento se ha desarrollado en el acelerador ReA6, situado en la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan, en los Estados Unidos. Desde el IGFAE han participado Yassid Ayyad, investigador Ramón y Cajal y uno de los autores principales del artículo, y Alicia Muñoz, estudiante de doctorado. En este trabajo, Yassid Ayyad realizó el análisis de los datos utilizando un marco desarrollado por el personal del IGFAE, incluida Alicia Muñoz. Las herramientas utilizadas en este estudio serán importantes para futuras investigaciones sobre núcleos atómicos raros y exóticos, en particular para la agrupación en núcleos.

Agrupación, o ‘clustering’

“La agrupación (en inglés, clustering) es un fenómeno universal que se puede observar en la naturaleza a múltiples escalas. A nivel microscópico podemos verlo en la autoorganización de bacterias o micropartículas, impulsada por reacciones químicas. Si nos vamos a una escala cósmica, se ve claramente en la formación de cúmulos de galaxias, que son las estructuras ligadas por la gravedad más grandes del universo”, explica Yassid Ayyad.

Pero el fenómeno de la agrupación también se extiende al ámbito más pequeño, a escala subatómica y nuclear. Aquí, los protones y los neutrones de los núcleos pueden reorganizarse y formar cúmulos de helio o alfa. A este nivel, la agrupación puede atribuirse a la compleja naturaleza del sistema cuántico abierto de muchos cuerpos.

Como ejemplo arquetípico de la agrupación en los núcleos atómicos suele citarse al estado de Hoyle del carbono-12, una resonancia de tres partículas alfa responsable de la producción de carbono estelar mediante el conocido como proceso triple alfa, por el cual tres núcleos de helio se transforman en uno de carbono.

En isótopos raros con exceso de neutrones, la agrupación del núcleo atómico puede adoptar estructuras exóticas. Este es el caso del berilio-10, un núcleo compuesto por dos partículas alfa y dos neutrones. En el trabajo publicado por Physical Review Letters se ha utilizado el berilio-10 (¹⁰Be), un isótopo radiactivo que se genera, principalmente, a partir de la fisión nuclear de núcleos de oxígeno o hidrógeno situados en la atmósfera, que son golpeados por rayos cósmicos. Para conocer sus propiedades, en este caso se ha estudiado la dispersión producida por la interacción entre un haz de partículas (en este caso, el berilio-10) y un blanco compuesto por gas de deuterio puro.

Al realizar el experimento, el equipo halló una resonancia a 7,27 millones de electronvoltios (MeV), justo por debajo de la energía a la que podrían liberarse las partículas alfa. Esto sugiere que el berilio-10 excitado a esta energía presenta una fuerte estructura de cúmulos alfa, comportándose como dos partículas alfa y dos neutrones unidos. Los hallazgos se confirmaron mediante un modelo de cuatro cuerpos que simula estas interacciones. Esta interacción puede revelar información importante sobre la estructura y las propiedades de los materiales a nivel atómico.

El trabajo se llevó a cabo en las instalaciones del acelerador ReA6 de la Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan. Los deuterones dispersos se midieron utilizando la Cámara de Proyección de Tiempo de Blanco Activo (AT-TPC), un detector gaseoso, o blanco activo, diseñado para estudiar reacciones que involucran haces de isótopos raros, que suelen tener intensidades muy bajas. El uso de este instrumento ha sido clave para el hallazgo, ya que, aunque el berilio-10 se ha estudiado exhaustivamente a lo largo de los años, esta resonancia no se había descubierto hasta ahora.

Conceptos clave:

Resonancia: un estado resonante nuclear representa una disposición transitoria y metaestable de protones y neutrones dentro de un núcleo atómico, que se produce a niveles de energía precisos y exhibe propiedades de mecánica cuántica similares a una configuración nuclear fugaz y altamente excitada.

Dispersión nuclear: se produce cuando un haz de partículas (en el caso de este trabajo, el berilio-10) interactúa con los núcleos atómicos de otro elemento (en este caso, gas de deuterio puro). Esta interacción puede revelar información importante sobre la estructura y las propiedades de los materiales a nivel atómico.

Partículas alfa: radiación ionizante compuesta por dos protones y dos neutrones (como el núcleo de un átomo de helio). Se emite durante el proceso de desintegración alfa. Estas partículas tienen una carga positiva y una masa relativamente grande, por lo que su poder de penetración es muy bajo (se frenan con una hoja de papel, o la piel humana).