Un experimento liderado por IGFAE encuentra nuevas evidencias sobre los cambios en el núcleo atómico cuando se añaden neutrones.

La física nuclear lleva décadas intentando comprender cómo se organizan los protones y neutrones dentro del núcleo atómico. Mejorar este conocimiento es fundamental para comprender el origen y la estabilidad de la materia, y para perfeccionar los modelos que describen fenómenos como la formación de elementos químicos en las estrellas o el comportamiento de núcleos muy raros y exóticos que no existen de forma natural en la Tierra.

En este sentido, un trabajo publicado en la revista Physical Review Letters , liderado por personal del IGFAE, acaba de arrojar más luz sobre los niveles de energía de los núcleos ligeros. La investigación está dirigida por Juan Lois Fuentes (graduado del IGFAE) y Beatriz Fernández Domínguez, investigadora del IGFAE, y se desarrolló en el experimento ACTAR-TPC del acelerador GANIL, ubicado en CAEN (Francia), donde el personal del Instituto lleva más de dos décadas trabajando.

Conocer mejor el modelo de capas

Este trabajo se centra en el modelo de capas de los núcleos atómicos: aunque los núcleos suelen representarse de forma compacta, están compuestos por protones y neutrones (y quarks dentro de cada uno de ellos), que ocupan diferentes niveles de energía. Cuando estos niveles se llenan, surgen configuraciones particularmente estables, conocidas como “números mágicos”. Durante décadas, la investigación en física nuclear ha estudiado por qué aparecen estos números mágicos y cómo cambian al estudiar núcleos ricos en neutrones.

Cuando un núcleo contiene 6 o más protones, se abre una brecha entre los niveles de energía del sexto y el séptimo protón. Algunas mediciones indirectas han llevado a la idea de que esta brecha persiste al aumentar el número de neutrones, lo que convertiría al número atómico (Z)=6 en un número mágico, cerrando la estructura de esta capa, como sucede en las configuraciones electrónicas estables de los gases nobles.

En el experimento dirigido por Juan Lois Fuentes y Beatriz Fernández Domínguez, se dirigió un haz de oxígeno-20 hacia un blanco gaseoso de deuterio molecular, y se aislaron las colisiones que eliminaban un protón para crear nitrógeno-19. A partir de las energías y poblaciones de ocho orbitales protónicos, se dedujo que la anchura de la brecha Z=6 era de 5,3 MeV, aproximadamente 1,8 MeV menor que en el oxígeno-16 (con cuatro neutrones menos). Por lo tanto, esta brecha no es constante, sino que disminuye a medida que aumenta el número de neutrones.

Además, el mismo estudio observó que esta reducción se debe principalmente (95%) a la interacción tensorial, un componente de la fuerza nuclear que depende de la orientación relativa de sus espines y posiciones. Este comportamiento ya se había predicho en algunos modelos teóricos, pero faltaban datos experimentales directos para confirmarlo.

Según Beatriz Fernández, “estos son los primeros resultados obtenidos con el detector ACTAR TPC en reacciones de transferencia directa para estudiar el acoplamiento espín-órbita de núcleos exóticos”. Este detector está diseñado para estudiar núcleos muy exóticos producidos en haces radiactivos. Se trata de núcleos que se generan en cantidades extremadamente pequeñas, pero que resultan muy interesantes para comprender mejor la estructura nuclear. Además, supone un reto complejo a nivel técnico, ya que realizar mediciones precisas en cantidades tan ínfimas es muy difícil. El rendimiento del ACTAR TPC, que permite aumentar la luminosidad de los análisis sin perder resolución, fue crucial para obtener estos resultados.

Además de Juan Lois y Beatriz Fernández, por parte del IGFAE también participan los investigadores Manuel Caamaño, Cristina Cabo, Daniel Fernández y Daniel Regueira.