Un equipo do Instituto Galego de Física de Altas Enerxías (IGFAE) participa na primeira evidencia directa dun tipo de desintegración de núcleos atómicos exótica que desafía as leis da física. Os resultados do experimento, publicados en Physical Review Letters, contribúen á comprensión dos sistemas cuánticos abertos a través da estrutura ligada e non ligada do núcleo

Os núcleos radioactivos ou exóticos son inestables e caracterízanse por ter un número dispar de protóns e neutróns. Estes núcleos buscan a estabilidade desfacéndose do exceso dos protóns e neutróns ‒nucleóns‒ a través do modo de desintegración predominante, a desintegración beta. Dito doutro xeito, un núcleo rico en neutróns se desintegrará emitindo os neutróns en exceso, ademais dun electrón e un antineutrino.  Con todo, é moito máis infrecuente a emisión dun protón na desintegración dun núcleo rico en neutróns, dado que desafía as leis enerxéticas que manteñen ao núcleo ligado. Pero existen certos núcleos onde este tipo de desintegración exótica é posible. Estes son os chamados núcleos halo onde un ou dous neutróns orbitan ao redor do resto compacto de nucleones.

De entre os núcleos halo existentes, o mellor candidato polas súas propiedades é o berilio-11 (11Be), un isótopo inestable do berilio con 4 protóns e 7 neutróns. A desintegración máis común do berilio-11 é o boro-11 (11B) con 5 protóns e 6 neutróns, que á súa vez se desintegra en litio-7 e helio-4 (7Li+4He). No caso da posible emisión de protóns, o berilio-11 podería converterse en berilio-10 e un protón. Este proceso coñécese como emisión retardada de protóns e foi observado directamente en berilio-11 en 2019, non sen recibir diversas críticas da súa existencia debido á complexidade do experimento. Como resposta, o investigador do IGFAE Yassid Ayyad e colegas estadounidenses e suízos idearon en 2021 o experimento inverso: disparar un feixe de berilio-10 contra un branco de protóns para acceder ao boro-11, un estado excitado do berilio-11. E funcionou. Os resultados publicáronse en Physical Review Letters. Ademais, existen certas teorías onde se especula que neste proceso poderíase observar a emisión dunha partícula de materia escura.

Críticas ás primeiras evidencias

A emisión retardada de protóns en berilio-11 xa a observaron directamente en 2019 nun experimento onde mediron os protóns emitidos a moi baixa enerxía no laboratorio TRIUMF (Vancouver, Canadá) [1].  Empregaron unha cámara de proxección temporal (TPC, un detector gaseoso parecido ás pioneiras cámaras de néboa), co que é posible observar as trazas das partículas emitidas polo berilio-11. Os resultados obtidos foron bastante sorprendentes: o 0.00001% das veces, o berilio-11 se desintegra cuspindo un protón. “Aínda que poida parecer unha cantidade pequena, é ordes de magnitude maior que as predicións teóricas e só 1.000 veces menor que a desintegración máis común en 7Li+4He”, explica o investigador do IGFAE Yassid Ayyad, quen propuxo o experimento inicialmente. O motivo polo cal esta probabilidade é tan grande non está resolvido aínda e ten moito que ver coa peculiar estrutura do boro-11. Neste núcleo predomina a clusterización α, ou o que é o mesmo, sempre que poida, formará unha partícula de 4He dentro do núcleo.  Isto tradúcese en que é máis fácil desde un punto de vista enerxético arrincarlle unha partícula α que un protón. Tendo isto en conta, a emisión de protóns producirase a través dun estado excitado do boro-11 moi próximo do limiar enerxético de emisión de protóns, deixando como residuo un núcleo de berilio-10. Este estado excitado non está ligado e o que realmente se forma é un sistema nuclear de berilio-10 máis un protón cunhas propiedades ben definidas que o experimento conseguiu medir.

Segundo intento: a confirmación definitiva

Dada a complexidade do experimento e os resultados asombrosos que se obtiveron, non tardaron en aparecer diversas críticas que poñían en dúbida a existencia de tal sistema nuclear, tanto desde o punto de vista experimental como do teórico.  Como resposta a estas críticas, realizouse un experimento utilizando a reacción inversa: se tal sistema existe, debería formarse na reacción elástica 10Be+p. Este experimento realizouse en 2021 na Facility For Rare Isotope Beams (FRIB) da Michigan State University (MSU) en Estados Unidos. Para iso usouse un feixe de berilio-10 a moi baixa enerxía contra un branco de protóns. Os resultados obtidos non só confirman a súa existencia e propiedades, senón tamén a súa alta probabilidade de emitir un protón. A súa forma é moi característica e é proba das propiedades deste tipo de sistemas onde o estado o núcleo está nunha zona de transición entre ligado e non ligado. Noutras palabras, pode tratarse como un sistema cuántico aberto onde as propiedades dos estados ligados e non ligados están suxeitas á súa mutua interacción. Neste contexto, o núcleo representa o sistema cuántico que interacciona co sistema de estados non ligados, tamén chamado continuo. Ademais, tamén se inferiu un aspecto importante: a emisión de litio-7+helio-4 tamén é posible. “Lamentablemente, non observamos directamente este proceso, pero nos próximos meses realizaremos un experimento dedicado a determinar as propiedades desta canle. Pese ao intensivo esforzo experimental realizado a teoría que tenta casar reacción e estrutura nuclear segue sen poder explicar satisfactoriamente a existencia da resonancia e as súas propiedades”, conclúe Yassid.

Referencias:

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

Artigo:

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

Imaxe principal: o investigador do IGFAE Yassid Ayyad, autor da proposta do experimento e gran parte da análise dos datos. Crédito: Elena Mora (IGFAE).

Imaxe: no experimento do equipo publicado en 2019, o berilio-11 se desintegra a través da desintegración beta a un estado excitado de boro-11, que á súa vez se desintegra en berilio-10 e un protón. No novo experimento, o equipo accede ao estado de boro-11 agregando un protón ao berilio-10, é dicir, executando a reacción investida no tempo. Crédito: Michigan State University.