Un nuevo estudio dirigido por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha medido cuánto tiempo tardan en descomponerse varios tipos de núcleos exóticos. El documento, publicado hoy en Physical Review Letters, marca el primer resultado experimental de la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por la Universidad Estatal de Michigan.

Los científicos utilizaron esta instalación única para comprender mejor los núcleos, la colección de protones y neutrones que se encuentran en el corazón de los átomos. Comprender estos componentes básicos permite a los científicos refinar sus mejores modelos y tiene aplicaciones en medicina, seguridad nacional e industria.

« La amplitud de la instalación y los programas que se están siguiendo son realmente emocionantes de ver », dijo Heather Crawford, física de Berkeley Lab y portavoz principal del primer experimento FRIB. « Van a surgir investigaciones en diferentes áreas que afectarán cosas en las que ni siquiera hemos pensado todavía. Hay mucho potencial de descubrimiento ».

El primer experimento es solo una pequeña muestra de lo que vendrá en la instalación, que se volverá 400 veces más poderosa en los próximos años. « Va a ser realmente emocionante, alucinante, sinceramente », dijo Crawford.

Más de 50 participantes de diez universidades y laboratorios nacionales participaron en el primer experimento. El estudio analizó los isótopos de varios elementos. Los isótopos son variaciones de un elemento particular; tienen el mismo número de protones pero pueden tener diferente número de neutrones.

Los investigadores se centraron en los isótopos inestables cerca de la « línea de goteo », el lugar donde los neutrones ya no pueden unirse a un núcleo. En cambio, cualquier neutrón adicional gotea, como el agua de una esponja de cocina saturada.

Los investigadores estrellaron un haz de núcleos estables de calcio-48 que viajaba a aproximadamente el 60% de la velocidad de la luz contra un objetivo de berilio. El calcio se fragmentó, produciendo una gran cantidad de isótopos que se separaron, se identificaron individualmente y se enviaron a un detector sensible que midió cuánto tiempo tardaron en descomponerse. ¿El resultado? El primero informó mediciones de vidas medias para cinco isótopos exóticos cargados de neutrones de fósforo, silicio, aluminio y magnesio.

Las mediciones de la vida media (quizás más conocidas por las aplicaciones en la datación por carbono) son una de las primeras cosas que los investigadores pueden observar sobre estas partículas de vida corta. La información fundamental sobre los núcleos en los límites de su existencia proporciona una prueba útil para diferentes modelos del mundo atómico.

« Esta es una pregunta de ciencia básica, pero se relaciona con el panorama general del campo », dijo Crawford. « Nuestro objetivo es describir no solo estos núcleos, sino todo tipo de núcleos. Estos modelos nos ayudan a llenar los vacíos, lo que nos ayuda a predecir de manera más confiable cosas que aún no hemos podido medir ».

Las teorías más completas ayudan a avanzar en la investigación en áreas como la astrofísica y la física nuclear; por ejemplo, comprender cómo se forman los elementos en las estrellas que explotan o cómo se desarrollan los procesos en los reactores nucleares.

Crawford y el equipo planean repetir el experimento de vida media nuevamente el próximo año, aprovechando la intensidad adicional del haz que aumentará la cantidad de isótopos producidos, incluidos isótopos raros cerca de la línea de goteo de neutrones. Mientras tanto, otros grupos aprovecharán las muchas líneas de luz e instrumentos de la instalación.

« Poner la instalación en línea fue un gran esfuerzo por parte de muchas personas, y algo que la comunidad ha estado esperando durante mucho tiempo », dijo Crawford. « Estoy emocionado de ser lo suficientemente joven como para seguir aprovechándolo durante las próximas décadas ».

Múltiples instituciones colaboraron en el primer experimento, con investigadores del Laboratorio Nacional Argonne (ANL), Laboratorio Berkeley, Laboratorio Nacional Brookhaven, Universidad Estatal de Florida, FRIB, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Universidad Estatal de Louisiana, Laboratorio Nacional Los Alamos, Universidad Estatal de Mississippi, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) y la Universidad de Tennessee Knoxville (UTK).

Científicos de ORNL, UTK, ANL y FRIB lideraron la colaboración para proporcionar los instrumentos utilizados en el iniciador de la estación de descomposición FRIB, el sistema detector sensible que midió los isótopos.

La Universidad Estatal de Michigan (MSU) opera la Instalación para Haces de Isótopos Raros (FRIB) como una instalación de usuario para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE-SC), apoyando la misión de la Oficina de Física Nuclear del DOE-SC. Al albergar lo que está diseñado para ser el acelerador de iones pesados ​​más poderoso, FRIB permite a los científicos hacer descubrimientos sobre las propiedades de los isótopos raros para comprender mejor la física de los núcleos, la astrofísica nuclear, las interacciones fundamentales y las aplicaciones para la sociedad, incluso en la medicina. seguridad nacional e industria.