La síntesis astrofísica del carbono y elementos más pesados, esencial para la existencia de los planetas y la vida, depende de una rareza de la física nuclear. La fusión de dos núcleos de helio 4 (partícula alfa) en los centros de las estrellas calientes crea fácilmente el berilio 8- , Y la fusión de ese núcleo con otro de helio 4 pueden producir carbono 12 . Sin embargo, el berilio 8- tiene una vida muy corta en contra de la desintegración alfa, lo que implica que casi siempre el se romperá en lugar de ser la semilla para el carbono. Para sortear este obstáculo, el astrofísico Fred Hoyle sugirió en 1953 que el carbono-12 debería tener un estado de excitación , con aproximadamente la misma energía que la combinación del berilio 8 con el helio 4 . Esta resonancia aumenta notablemente la sección eficaz de la reacción de fusión produciéndo carbono 12 , lo que permite a la nucleosíntesis estelar proceder a los elementos aún más pesados. El estado de excitación, con una energía de 7.6 millones de electrón voltios (MeV), momento angular total J=0 y paridad positiva, de hecho existe, y a menudo es referido como el "estado Hoyle".
fig 1 ,en las excitaciones del estado Hoyle del carbono 12 se cree que existen los llamados estados cluster (o racimos) en los cuales seis protones y seis neutrones constituyen en total 3 partículas alfa.Recientes experimentos proveen nueva evidencia para la existencias de estos estados y pueden arrojar luz sobre si las partículas alfa se reordenan formándo un triángulo una cadena u otra estructura o se mueven más o menos libremente alrededor de cada otra.
La estructura detallada del estado de Hoyle es todavía en la actualidad un asunto con algunas dudas, generándo incertidumbre en la sección eficaz de la producción de carbono 12 que se necesita para los modelos estelares que calculan la abundancia de carbono y otros elementos. Sólo tres años después de que Hoyle hizo su propuesta, el físico nuclear Haruhiko Morinaga conjeturó de que el estado Hoyle debería ser altamente no-esférico, y que como resultado el estado J=0 debería estar acompañado por una banda de estados excitados rotacionales con momento angular J=2,4, y asi sucesivamente[ver aquí]. (Estructuras similares se observan en el berilio 8- , Oxígeno 16, neón 20, y magnesio 24 .) Numerosos experimentos en los últimos 50 años no han podido localizar a estos estados adicionales del carbono 12 , pero Masatoshi Itoh de la Universidad de Tohoku,en Japón, y sus colegas, escribiendo en la revista Physical Review C [ ver aquí ], ahora presentan evidencia experimental de la existencia de un estado J=2 cercano en donde el fué predicho inicialmente por Morinaga, alrededor de 2 Mev por encima del estado Hoyle. Resultados similares de Martin Freer [ ver aquí ] y W ,R Zimmerman [ ver aquí] hacen plausible que el estado J=2 ha sido finalmente encontrado, e incluso hay indicios del estado de rotación siguiente J=4 [ ver aquí ].
La importancia de este estado se encuentra no sólo en su papel en la síntesis del carbono, sino también en su estructura característica. Kiyomi Ikeda [ ver aquí] postuló que cerca del umbral de desintegración alfa, es decir, en un estado excitado con energía interna suficiente para que una partícula alfa escape del núcleo, estados incluyendo una preformada partícula alfa (o núcleo de helio 4) deberían aparecer. Dichos estados, los llamados estados cluster(o racimo), fueron predichos muy temprano en la historia de la física nuclear, incluso antes del descubrimiento en 1932 del neutrón por Chadwick. Unos años más tarde, Hafstad y Teller [ ver aquí ], proporcionaron una caracterización detallada de la disposición de los cluster. En el caso del carbono 12 El estado Hoyle se encuentra justo por encima del umbral de la desintegración en berilio 8 más una alfa, a su vez, el estado fundamental del berilio 8 se encuentra 92 kev por encima del umbral de desintegración 2 alfa. La hipótesis de Ikeda implica, entonces, que el estado Hoyle debería tener una estructura cluster 3 alfa. La naturaleza precisa de la estructura cluster(o de racimo) se ha mantenido esquiva, pero las recientes mediciones proporcionan una cierta visión.Estudios adicionales podrían hacer posible determinar si el cluster tiene una estructura rígida como la de un cristal- con las alfas dispuestas en cadena, en triángulo, u otra estructura, o una estructura parecida a la de un gas en la que se mueven con mayor libertad (ver Fig. 1).
La dificultad en la identificación de la excitación 2+ , (J=2 con paridad positiva) del estado Hoyle en el carbono 12 se deriva del hecho de que todos los estados por encima de 7.3 Mev son inestables con respecto a la desintegración en tres partículas alfa. Son, por lo tanto, resonancias con una corta vida y en consecuencia con grandes incertidumbres, de hasta varios MeV, en sus energías. Cercano al estado rotacional 2+ de Morinaga hay también otras resonancias conocida con J=3 y J=0 , y en la mayoría de los experimentos estos otros estados dominan el espectro medido. El equipo de M. Itoh soluciona esto dejando que un haz de alta energía de partículas alfa se disperse en un blanco de carbono 12 y midiéndo con mucha precisión la energía y el ángulo de desviación de las alfas dispersadas. Para los más pequeños ángulos, la dispersión del estado J=0 domina, para ángulos algo más grandes, el estado J=2 domina, y así sucesivamente. Cada valor de J conduce a un patrón característico de la intensidad de las partículas dispersadas. De esta manera,el grupo de Itoh es capaz de descomponer la distribución de las partículas dispersadas en componentes que corresponden a diferentes componentes del momento angular en el núcleo de carbono 12 . En sus resultados, ellos ven una pequeña contribución de un estado J=2 por debajo de las contribuciones dominantes de los estados J=0 y J=3. Martin Freer y sus colaboradores y el equipo de W.R Zimmerman utilizan una técnica similar para proveer selectividad para J=2 con respecto a otros estados de momento angular, pero ellos utilizan haces de protones en lugar de alfa.
Es tentador decir que la pregunta está cerrada. Sin embargo, otros experimentos no encuentran evidencia del propuesto estado 2+. Por ejemplo, mediciones de alta precisión de la desintegración beta +, del nitrógeno 12 y la desintegración beta- del boro 12 , las cuales producen carbono 12, no muestran ninguna intensidad significativa cercana a la región donde el estado J=2 encontrado por el grupo de Itoh fué observado [ ver aquí ]. Por lo tanto, la situación sigue siendo algo confusa: ¿El estado J=2 existe o no, y si existe, ¿por qué es tan débilmente poblado en muchas de las reacciones? Una respuesta a por lo menos la segunda pregunta, en el caso de las mediciones de dispersión inelástica, puede ser que la pronunciada estructura cluster del nuevo estado 2+ tiene una pequeña superposición con el estado fundamental del carbono 12 , dando lugar a una pequeña probabilidad para la excitación de ese estado [ ver aquí ].Una explicación similar podría ser avanzada para la falta de observación en las mediciones de la desintegración beta, donde la pequeña superposición estructural entre las funciones de onda padre e hija conduce a una pequeña matriz de elementos nucleares a la desintegración.
Aunque las medidas del grupo de Itoh , junto con las publicadas anteriormente, constituyen un paso significativo hacia la solución del enigma de 50 años de edad, del estado J=2, todavía hay una necesidad de mayor investigación. En el aspecto teórico, el objetivo a largo plazo será el desarrollo de una descripción coherente que combine el estado de la técnica de cálculos de estructura con modelos de las reacciones nucleares o desintegración utilizados en los experimentos. En el lado experimental, nuevas mediciones precisas serán necesarias, las cuales pueden incluir nuevos enfoques para mejorar la selectividad entre los diferentes estados de momento angular.
artículo de los físicos Hans O. U. Fynbo y Martin Freer para physics.aps.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v4/94
