Un artículo publicado en la revista Physical Review Letters describe una nueva técnica para determinar y estudiar las reacciones nucleares que tienen lugar en explosiones estelares, como las supernovas. En el trabajo ha participado el investigador Yassid Ayyad, del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro mixto de la Universidade de Santiago de Compostela y la Xunta de Galicia, que se ha encargado de desarrollar parte del análisis y el marco de simulaciones necesarias para interpretar los resultados. Estos datos abren, según el equipo encargado del trabajo, una nueva vía para abordar una serie de retos científicos, incluyendo la astrofísica y la física de neutrinos.

Tal y como explican, estudiar las reacciones nucleares que se producen en las supernovas es esencial para conocer la evolución del universo. Hay un tipo de supernovas, las de colapso del núcleo, que afectan a las estrellas de más de ocho masas solares al final de su ciclo vital. En este proceso, estas estrellas gigantes generan un agujero negro o una estrella de neutrones muy densa.

Durante este colapso, los núcleos atómicos de los elementos presentes en el núcleo de la estrella capturan electrones. Estas reacciones reducen la presión de la estrella y generan neutrinos que se llevan la energía. Por tanto, modelizar y entender mejor estas reacciones ayuda a desentrañar los aspectos aún desconocidos en este tipo de fenómenos de gran magnitud.

Reacciones de intercambio de carga

Los equipos que estudian las reacciones que generan esta captura de electrones pueden obtener información de manera indirecta sobre las tasas de esta captura. Lo hacen mediante las denominadas reacciones de intercambio de carga, que pueden desarrollarse de manera controlada en un laboratorio. En ellas, el núcleo inicial y el producto final son los mismos que se observan en las reacciones estelares. Por ello, si se obtiene información sobre la probabilidad de que ocurra esta reacción, es posible calcular la velocidad de reacción de captura de electrones que se produce en una supernova.

Sin embargo, hasta ahora, ha habido un obstáculo difícil de superar en esta observación indirecta: sólo pueden estudiarse los isótopos que son estables en las condiciones del planeta Tierra, y muchos de los isótopos que se generan en las estrellas que colapsan apenas viven una pequeña fracción de segundo cuando son producidos en laboratorio.

La relevancia del nuevo trabajo en el que participa el IGFAE recae en que el artículo ahora publicado ha desarrollado una nueva herramienta para superar este obstáculo, en un experimento realizado en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) de Estados Unidos, en la Universidad Estatal de Michigan.

Para ello, se inyectó un haz de oxígeno-14 inestable en una Cámara de Proyección Temporal en modo Blanco Activo (AT-TPC, por sus siglas en inglés) llena de gas deuterio. A partir de esto, se identificaron eventos en los que se producía nitrógeno-14, el mismo producto que aparecería tras una reacción de captura de electrones en el oxígeno-14. En esta reacción, un núcleo de deuterio en el gas, formado por un protón y un neutrón, se convierte en dos protones.

“Es la primera vez que se logra medir esta reacción en un isótopo radioactivo con la resolución suficiente”, explica Yassid Ayyad, investigador Ramón y Cajal en la USC. “Para ello usamos el AT-TPC, un detector gaseoso capaz de medir protones de muy baja energía. Para llevar a cabo el experimento con éxito, el grupo del IGFAE ha desarrollado herramientas de simulación y análisis avanzadas”, añade.

El dispositivo AT-TPC permite tomar una «foto» de las huellas de los dos protones que se obtienen. Esto es suficiente para extraer la información necesaria que determina las reacciones de captura de electrones.

Además, el experimento con el oxígeno-14 proporcionó buenos resultados para comprender las diferencias entre los cálculos teóricos consolidados, que requieren un factor de corrección necesario para ajustarlos a los datos experimentales. Estos datos se obtuvieron con modelos teóricos desarrollados más recientemente, basados en principios fundamentales, y que no requieren un factor de escala. Por ello, el resultado no sólo es importante para las aplicaciones astrofísicas, sino también para comprender mejor las propiedades fundamentales de los núcleos atómicos.

De esta manera, el experimento ahora publicado allana el camino para futuras pruebas con núcleos más pesados y menos estables que puedan producirse en las instalaciones donde se desarrollan estos trabajos.

Actualmente, el equipo que lidera Yassid Ayyad se encuentra preparando un nuevo trabajo relacionado con esta nueva técnica. “Ahora mismo estamos trabajando para realizar un experimento similar en julio de este año, usando el mismo dispositivo experimental, pero esta vez mediremos la respuesta electromagnética del ¹¹Li, un núcleo muy exótico que se caracteriza por ser tener dos neutrones orbitando lejos del núcleo. Es lo que se conoce como núcleo halo”, añade Ayyad. “Esta propuesta está liderada por nuestro grupo de investigación y servirá como tema de tesis de uno de nuestros estudiantes”, concluye.

La figura muestra la visualización de un suceso en la Cámara AT-TPC. Un oxígeno-14 entrante (arriba a la derecha) reacciona con un núcleo de deuterio, creando nitrógeno-14 y dos protones. Las trazas de protones se reconstruyen en la cámara.

(Nota: Las otras trayectorias están dibujadas a mano sólo con fines ilustrativos. No se observan realmente en la cámara).

 Los productos de la reacción del nitrógeno-14 salen de la cámara y se detectan en el espectrómetro magnético S800.

Crédito de la imagen: Remco Zegers (FRIB)