Imágen: La fábrica de haces Riken RI en Wako, Japón, crea corrientes de isótopos radiactivos con la ayuda de este ciclotrón de anillo superconductor. Crédito: Centro Nishina para la ciencia basada en aceleradores
Se detecta un isótopo de oxígeno raro que desafía las expectativas
El oxígeno-28 podría impulsar a los físicos a renovar las teorías sobre cómo se estructuran los núcleos atómicos.
Katherine Bourzac
Combinando un potente conjunto de instrumentos con cierta experiencia experimental, los físicos han detectado por primera vez oxígeno-28, un isótopo de oxígeno que tiene 12 neutrones adicionales empaquetados en su núcleo. Los científicos han predicho durante mucho tiempo que este isótopo es inusualmente estable. Pero las observaciones iniciales del núcleo de 28O sugieren que este no es el caso: se desintegra rápidamente después de la creación, informa hoy un equipo en Nature (1) . Si los resultados pueden replicarse, es posible que los físicos necesiten actualizar las teorías sobre cómo se estructuran los núcleos atómicos.
La fuerza más fuerte del Universo es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Para descubrir cómo se forjan los elementos, la física de las estrellas de neutrones y más, los científicos necesitan comprender mejor esta fuerza nuclear fuerte, dice Takashi Nakamura, físico del Instituto de Tecnología de Tokio. Él y otros investigadores están probando teorías sobre cómo se mantienen unidos los núcleos atómicos llevándolos a los extremos. Una forma popular es cargar núcleos livianos, como el oxígeno, con un exceso de neutrones y ver qué sucede.
Las teorías actuales afirman que los núcleos atómicos con cierto número de protones y neutrones son inherentemente estables. Esto se debe a que los protones y neutrones llenan las "capas" del núcleo. Cuando una capa se llena con la cantidad justa de protones o neutrones, resulta enormemente difícil agregar o quitar partículas. Estos son números "mágicos" y se cree que incluyen 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 partículas. Si un núcleo tiene un número mágico de neutrones y protones, se vuelve "doblemente mágico" y, por tanto, aún más estable.
La forma más abundante de oxígeno, el 16O, es doblemente mágica por sus ocho protones y ocho neutrones. Hace tiempo que se predice que el oxígeno-28, con 8 protones y 20 neutrones, también es doblemente mágico. Pero los físicos no habían podido detectarlo antes.
Cazadores de fantasmas
La observación de 28O requirió varias hazañas experimentales. La clave de toda la operación fueron las intensas corrientes de isótopos radiactivos producidas por la fábrica de haces Riken RI en Wako, Japón. Los científicos dispararon un haz de isótopos de calcio-48 contra un objetivo de Berilio, lo que creó un isótopo de flúor-29. El núcleo de este isótopo tiene un protón más que el 28O pero el mismo número de neutrones. A continuación, los científicos rompieron 29F contra una gruesa barrera de hidrógeno líquido, expulsando un protón del núcleo y generando 28O.
Imágen: Un gran equipo internacional de investigadores utilizó instrumentos en Riken RI Beam Factory para detectar oxígeno-28. Crédito: Yosuke Kondo
Esta rara forma de oxígeno duró demasiado poco para poder observarla directamente. En cambio, el equipo detectó sus productos de desintegración: oxígeno-24 más cuatro neutrones, una medición que parecía imposible hace sólo unos años.
Se han medido hasta dos neutrones al mismo tiempo, pero esta es la primera vez que los científicos detectan cuatro simultáneamente, dice Nakamura. "Son como fantasmas", dice sobre los neutrones. Sin carga eléctrica, los neutrones no se pueden disputar de la misma manera que los protones (24O, con sus ocho protones cargados positivamente, podría introducirse en un detector con imanes). Para observar neutrones individuales, el equipo utilizó un potente detector construido para ese propósito, prestado por el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados en Darmstadt, Alemania, además de los instrumentos de Riken. En este detector especializado, los neutrones entrantes se revelan cuando golpean a los protones. Nakamura dice que el autor principal del estudio, el físico del Instituto de Tecnología de Tokio, Yosuke Kondo, utilizó simulaciones para ayudar a verificar estas difíciles mediciones.
“Realmente han hecho sus deberes”, dice Robert Janssens, físico de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. “Hicieron todos los controles que se pudieron hacer. Es un tour de force”.
Límites atómicos
Aunque el equipo no pudo obtener una medición exacta de la vida útil del 28O, Nakamura dice que el isótopo no se comportó como si fuera doblemente mágico: se desmoronó casi tan pronto como nació.
“Me sorprendió”, sostuvo. “Personalmente, pensé que era doblemente mágico. Pero esto es lo que dice la naturaleza”.
Éste no es el primer indicio de que la lista de números mágicos de los físicos nucleares no es universalmente aplicable, dice Rituparna Kanungo, física de la Universidad de Saint Mary en Halifax, Canadá.
Formó parte de un equipo de científicos que demostró en 2009 que el 24O, contrariamente a las reglas nucleares, tiene un núcleo que se comporta como si fuera doblemente mágico2. Sus 8 protones y 16 neutrones están fuertemente unidos entre sí, lo que le confiere una vida útil relativamente larga: la mitad del 24 O tarda unos 61 milisegundos en desaparecer mediante desintegración radiactiva. Esto significa que, en algunos núcleos, si están fuertemente unidos, 16 también podría ser un número mágico.
“Los números mágicos no son inmutables”, afirma Janssens.
Por ahora, las confusas cualidades del 28O plantean toda una serie de preguntas sobre las fuerzas que mantienen unidos los núcleos. Los físicos están soñando despiertos con posibles próximos pasos. Nakamura quiere ver si es posible detectar oxígeno-30. Debido a que la estabilidad de diferentes isótopos es una medida relativa, sería útil comparar el 28O con este vecino cercano, más pesado y aún no visto.
“Es tan simple y complicado”, comenta Janssens. “Por el momento no sabemos cuántos protones y neutrones se pueden juntar en un núcleo” y mantenerlos unidos, añade. “En otras palabras, ¿cuál es el límite?”
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-02713-3
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Referencias
1. Kondo, Y. et al. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6(2023)
2. Kanungo, R. et al. Phys. Rev. Lett. 102, 152501 (2009)
