‘Nature’ publica un trabajo pionero sobre fisión nuclear en el que participa el IGFAE

La revista Nature, una de las referencias de la ciencia mundial, publica esta semana un artículo en el que se describe una nueva isla de fisión nuclear asimétrica en un centenar de sistemas exóticos (no estables). En el trabajo participan varios miembros del Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE), centro de investigación mixto de la USC y la Xunta de Galicia. El experimento se llevó a cabo en el acelerador GSI-FAIR, en Darmstadt (Alemania), donde el personal del IGFAE participa desde hace más de dos décadas.

“En la fisión, los núcleos atómicos pesados se rompen en dos partes, generando dos núcleos nuevos y más ligeros, y emitiendo una gran cantidad de energía. Aunque llevamos observando estos procesos más de 100 años, los mecanismos que rigen la fisión son muy complejos, reflejando en parte la estructura microscópica de los núcleos”, explica Héctor Álvarez Pol, investigador del IGFAE, profesor de la USC y uno de los autores del artículo.

En este punto, “la caracterización de la fisión es clave para entender las propiedades del núcleo atómico, pero también para conocer procesos de interés astrofísico que describen la abundancia de los elementos en el universo”, añade el investigador. Entre otras aplicaciones, conocer este proceso puede contribuir a mejorar la producción de energía, lo que afecta, por ejemplo, a la seguridad en las centrales nucleares.

Isla de fisión asimétrica

Los fragmentos que se generan en la fisión (esto es, los nuevos núcleos que se producen cuando se rompe un núcleo pesado) pueden tener cargas parecidas (fisión simétrica) o diferentes, cuando un fragmento lleva una parte mayor del núcleo que se rompe (fisión asimétrica). Si representamos los resultados de la fisión en un mapa de nucleidos (una ‘tabla periódica ampliada’, que representa todos los isótopos de los elementos) encontramos amplias regiones donde la fisión es simétrica, con islas o zonas donde la fisión resulta asimétrica. Ahora, este trabajo permite delimitar parte de una isla de asimetría en una región por debajo del plomo, que no había sido explorada en detalle previamente.

En los últimos años, tras la observación de fisiones asimétricas inesperadas en núcleos exóticos deficientes en neutrones, se han desarrollado nuevas investigaciones teóricas y experimentales para profundizar en ellas. En este marco, el experimento, realizado dentro de la colaboración R3B-SOFIA de GSI-FAIR, pretendía determinar la distribución de la carga de los fragmentos de fisión para una amplia colección de núcleos exóticos que se producen y estudian en este acelerador.

Y los resultados ofrecen la primera cartografía completa de esta nueva isla de fisión asimétrica de núcleos con menor número atómico que el plomo. Se recogen las medidas de distribución de carga de los fragmentos de fisión, dominando aspectos estructurales del núcleo que se rompe, y que son producto de 100 sistemas de fisión exóticos, de los que 75 se miden por primera vez.

Diagrama de identificación de partículas de los haces radiactivos producidos en el experimento. Fuente: Nature.

Uno de los hallazgos más destacados es el papel que desempeña la llamada capa de protones deformada Z=36 en el fragmento más ligero de la fisión. Esta estructura nuclear contribuye a explicar la mayor probabilidad de generación de ciertos productos en la rotura del núcleo, señalando la influencia de las propiedades estructurales en la dinámica de la fisión.

Más allá de esto, el trabajo contribuye a determinar las características de los fragmentos de fisión y predecir la evolución entre la rotura asimétrica de los actínidos, la rotura simétrica que gobierna el proceso de fragmentación para los núcleos más ligeros y nuevos modos de rotura asimétrica para núcleos exóticos ligeros ricos en protones. Estos resultados se complementarán con nuevos mecanismos de reacción para inducir la fisión, como las reacciones de arranque de un nucleón, investigadas en el IGFAE y que ya han dado lugar a dos tesis doctorales. A partir de la cinemática de los nucleones emitidos, estas reacciones permiten reconstruir la energía de excitación del sistema implicado en la fisión y estudiar, por ejemplo, la evolución de las capas de protones y neutrones en función de la energía.

De cara a futuras investigaciones, este conjunto de datos será esencial para restringir modelos de fisión fiables y predictivos utilizados para estimar las propiedades de fisión de núcleos con relaciones neutrón-protón extremas, en los que no se dispone de datos experimentales.

Además de Héctor Álvarez Pol, en el artículo participa personal que desarrolló este experimento como parte del IGFAE: José Luis Rodríguez Sánchez (actualmente en el centro de investigación CITENI de la Universidade da Coruña), Antía Graña González (actualmente en el Commissariat à Energie Atomique CEA, París), Gabriel García Jiménez (actualmente en la Universidad de Berkeley, EE.UU.), y Manuel Feijoo Rodríguez (actualmente profesor en el IES do Castro, Vigo).

Enlace al artículo: An asymmetric fission island driven by shell effects in light fragments. Nature (2025).