Para los físicos de la estructura nuclear, quienes examinan por qué algunos núcleos atómicos tienen la forma de balones de fútbol, peras, bananas, o simplemente esferas rígidas, los experimentos más reveladores son los que miden los núcleos en condiciones extremas. Uno de tales extremo es un núcleo que tiene tantos neutrones en relación con su número de protones que los neutrones ultraperiféricos apenas están unidos a la superficie nuclear. En un gráfico de isótopos, el lugar de los isótopos para los cuales no se pueden añadir más neutrones se le llama la línea de goteo de neutrones, y es aquí que verdaderamente los nuevos fenómenos de la estructura nuclear se han observado. La medición de estos fenómenos es uno de los objetivos del Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) (ver aquí), el cual se encuentra en construcción en la Universidad Estatal de Michigan. En un artículo [ ver aquí ] que aparece en la revista Physical Review Letters, Ryan Winkler y sus colegas del National Superconducting Cyclotron Laboratory , también ubicado en el Estado de Michigan, informan del trabajo sobre isótopos radiactivos ricos en neutrones de argón que prepara el camino para futuras mediciones de la línea de goteo nuclear en el FRIB y otras instalaciones previstas de haces radiactivos.
Para ver la variedad de los fenómenos que se producen en la línea de goteo de neutrones, se puede comenzar con el litio y dar un paseo virtual a lo largo de la mayoría de los isótopos ricos en neutrones de los elementos ligeros. El litio-11, Que tiene cuatro neutrones más que el más pesado isótopo del litio estable y una vida media de sólo 8.6 milisegundos,es un núcleo de la línea de goteo de neutrones, ya que es el más pesado isótopo de litio unido. La estructura de este núcleo es un ejemplo de un fenómeno exótico llamado un “halo”de dos neutrones en la que los neutrones más débilmente vinculados rondan muy lejos (en un sentido relativo) del “corazón” del núcleo [ ver aquí y aquí ] .
Al movernos un protón más arriba del carbono a lo largo de la línea de goteo de neutrones, el comportamiento nuclear cambia de una manera notable. El nitrógeno 23 y el oxígeno- 24 , los isótopos de la línea de goteo de estos dos elementos, están considerablemente
más fuertemente unidos que el carbono-22, teniéndo cada uno energías de unión de unos pocos mega-electrón-voltios. De hecho, el oxígeno- 24 parece comportarse en muchos aspectos como un núcleo "doblemente mágico", con unas rigidas y cerradas capas de ambos (protones y neutrones) [ ver aquí y aquí ]. Estos tres isótopos el Carbono-22, Nitrógeno-23 y el Oxigeno-24 se comportan de maneras muy diferentes, aunque todos ellos tienen un número idéntico de 16 neutrones.
fig 1.El FRIB (Facility for Rare Isotope Beams)será capaz de producir isótopos a lo largo de la línea de goteo de neutrones (línea gris clara quebrada en la parte baja de la gráfica)para elementos hasta el argón.Los colores corresponden a las velocidades en partículas por segundos (pps)con las cuales varios isótopos pueden ser producidos.Las herramientas experimentales y teóricas usadas por Winkler para estudiar el argón -47 y argón-48 (indicados en el recuadro) proveen un importante marco con el cual se podrá estudiar los isótopos ricos en neutrones en el FRIB.Crédito.O.Tarasov and B. Sherrill/FRIB.
Al movernos de nuevo hacia arriba un protón más desde el oxígeno al elemento flúor, la línea de goteo salta al número de 22 neutrones (Flúor-31) [ver aquí ].
. Aunque el flúor- 31 fue identificado por primera vez como un núcleo de goteo en el año 1999, no fue hasta el 2010 que el salto anómalo de la línea de goteo fue explicado trás la invocación de la fuerza de tres nucleones [ ver aquí ], la cual nunca había sido considerada para cualquiera, sino para los núcleos más ligeros. Este avance teórico demostró lo importante que es para la teoría y la experimentación avanzar a la par en el estudio de la estructura nuclear.
Más allá de flúor, las predicciones teóricas de la línea de goteo están disponibles. Según los cálculos, el núcleo de la línea de goteo para el neón , el siguiente elemento después del flúor, es el núcleo neón 38, con 28 neutrones. Los cálculos también predicen que los núcleos de la línea de goteo y cerca de la línea de goteo en elementos más pesados que el neón exhiben una variedad de fenómenos interesantes, como "resonancias dipolares pigmeas ", en las cuales los fluidos de protones y neutrones oscilan entre sí [ ver aquí ], y configuraciones de neutrones del halo, en la cual la forma del halo está "desacoplada" de la forma del "corazón" del núcleo [ ver aquí ]. Ahora bien, las instalaciones experimentales no pueden producir estos isótopos en la línea de goteo, y cerca de la línea de goteo, por lo menos no en cantidades suficientes para realizar las mediciones espectroscópicas.
El FRIB, el cual se espera que entre en funcionamiento antes del 2020, será capaz de producir los núcleos de la línea de goteo de neutrones todo el camino hasta el argón (18 protones). La Figura 1 muestra el rendimiento estimado de isótopos radiactivos en el FRIB y la línea de goteo de neutrones predicha por la fórmula de masa KTUY [ ver aquí ], así como el principal cierre de capa tanto para los protones y los neutrones. Los núcleos de la linea de goteo de neutrones en elementos cerca del argón son particularmente importantes debido a la naturaleza de los cierres de las capas nucleares. Los nucleones (protones y neutrones) ocupan órbitas, parecidas a como los hacen los electrones en los átomos. Las órbitas de energías similares forman capas, una vez más, tal como lo hacen los electrones en los átomos. El cierre de capa, los "números mágicos" de protones y neutrones que dan a particulares isótopos una especial estabilidad, juegan un papel central en nuestra comprensión de cómo se comportan los núcleos. Además, la naturaleza de los cierres de capas los cambia de una manera particularmente importante en el número de neutrones 20. Los números mágicos por encima de 20 , a saber, 28 ,50 , 82 y 126, resultan de la nuclear " fuerza espín-órbita ", la cual fue identificada hace más de sesenta años y formó la base del trabajo ganador del Premio Nobel, sobre el modelo de capa nuclear de Mayer y Jensen. Para entender esta fuerza, es muy importante examinar los núcleos de la línea de goteo de neutrones con 28 neutrones y superior, que sólo existen para los elementos más pesados que el flúor, el límite de las actuales instalaciones de haces radiactivos. Al proporcionar acceso a los núcleos de la línea de goteo en los elementos hasta el argón, las futuras instalaciones de haces radiactivos abriran las puertas para el examen de las fuerzas que determinan el comportamiento de todos los núcleos más pesados.
Sin embargo, la simple producción de isótopos de la línea de goteo de neutrones hasta el argón no será suficiente para garantizar el éxito de los futuros programas científicos con haces radioactivos. Es de suma importancia desarrollar las técnicas experimentales para llevar a cabo las mediciones espectroscópicas de estos núcleos (incluso en el FRIB, ellos van a ser producidos en pequeñas cantidades) y potentes herramientas teóricas con las que analizar los datos.
Es en este contexto que la importancia de los resultados de Winkler sobre el argón- 47 y argón- 48 pueden apreciarse mejor. Para analizar los estados de energía de los núcleos de argón, el equipo aplicó la técnica experimental de energía intermedia de excitación de Coulomb , en el que un núcleo inelásticamente se dispersa desde otro núcleo y los rayos gamma emitidos se analizaron para conocer las propiedades del núcleo. Esta técnica espectroscópica es, y seguirá siendo, un elemento básico de los estudios de estructura nuclear en los laboratorios de haces radiactivos. Experimentos convencionales basados en haces de isótopos estables en general, ofrecen 1010 partículas por segundo a un objetivo. En comparación, las mediciones reportadas por Winkler sobre el argón-48, Implican una tasa del haz que es 100 millones de veces más pequeñas, con sólo 150 partículas por segundo. Esta y muchas otras técnicas en uso en el National Superconducting Cyclotron Laboratory, las cuales producen haces de isótopos exóticos, detectan fotones de rayos gamma, e identifican las partículas del haz, demuestran un enorme progreso hacia las tecnologías que serán necesarias para futuros programas de espectroscopia de la linea de goteo.
Para analizar sus datos, Winkler también se enfrentó a un desafío de enormes proporciones teórica que les obligó a aprovechar las nuevas herramientas de modelo de capas. Tradicionalmente, los análisis de modelo de capas- han utilizado cálculos que implican órbitas sólo dentro de las capas principales, es decir, entre dos números mágicos. Por ejemplo, el excelente trabajo que se ha hecho durante las últimas décadas sobre la realización de cálculos en la capa sd entre los números mágicos 8 y 20 (La sd proviene del hecho de que las órbitas activas en medio de estos dos números mágicos son 1d 5/2 , 2s 5/2 y 1d 3/2 -[ ver aquí ]). Sin embargo, lograr una comprensión de los isótopos de silicio, azufre, y argón cerca de la línea de goteo de neutrones requerirán cálculos que simultáneamente traten la capa f (entre los números mágicos 20 y 28) y la capa fp (entre los números mágicos 28 y 50). Winkler comparó dos modelos de capa de "interacciones" que están compitiendo para convertirse en estándar para los cálculos que implican ambas de estas capas, con lo que se establece un marco para comprender las observaciones realizadas durante los estudios futuros de los núcleos de la línea de goteo.
En total, el trabajo sobre el argón- 47 y argón-48 nos empuja un largo camino para estar preparado cuando el FRIB y otras instalaciones de haces radiactivos entren en línea y comienzen el asalto final espectroscópico de la línea de goteo de neutrones de los elementos más pesados.
fuente de la información:
http://physics.aps.org/articles/v5/49
