Nuevas estructuras en núcleos exóticos

Una colaboración internacional con la participación de científicos del Instituto de Estructura de la Materia (IEM) y del Instituto de Física Corpuscular (IFIC) ha identificado la estructura fundamental del núcleo atómico muy deficiente en neutrones 92Pd - cerca del límite de la inestabilidad de protones. Los resultados, que se presentan en la revista científica Nature, indican que la estructura nuclear de este núcleo se basa en pares neutrón-protón fuertemente acoplados, distinta al estado "normal" casi superfluido que domina en todos los núcleos atómicos conocidos hasta ahora. El descubrimiento fue hecho en un experimento realizado en el acelerador de la instalación Grand Accélérateur Nacional d'iones Lourds (GANIL) en Francia.

El núcleo atómico, en el "centro" del átomo, posee más de un 99,9% de su masa y por medio de su carga eléctrica determina el elemento y sus propiedades químicas. Los núcleos atómicos pueden contener desde uno hasta una centena de protones y neutrones (nucleones). Los nucleones a su vez tienen una estructura interna compuesta de quarks y gluones. Las propiedades de los núcleos atómicos con diferentes composiciones nucleónicas están determinadas por la interacción entre tres de las cuatro interacciones fundamentales de la naturaleza - las interacciones fuerte, débil y electromagnética. Domina la interacción fuerte, pero es extremadamente compleja y aún carece de una descripción teórica detallada y coherente. Para responder a las preguntas más fundamentales sobre la acción de estas fuerzas en el núcleo los físicos se esfuerzan para estudiar los núcleos más exóticos que pueden existir, lo que les permite poner a prueba los modelos teóricos de manera decisiva.

En el presente estudio, una colaboración de investigadores de varias universidades y centros de investigación europeos liderado por Bo Cederwall, profesor de física nuclear experimental en el Royal Institute of Technology (KTH, Estocolmo, Suecia), ha utilizado colisiones nucleares para producir núcleos atómicos muy inestables con igual número de neutrones y protones en estados excitados. Los núcleos atómicos se identificaron utilizando instrumentos altamente sensitivos para detectar la radiación en forma de rayos gamma, neutrones, protones y otras partículas que emiten cuando se desexcitan ("enfrían") hacia su estado fundamental. El objetivo del estudio fue investigar una antigua cuestión que ha recibido considerable atención en la física nuclear: si un nuevo tipo de correlaciones de apareamiento entre neutrones y protones ("apareamiento isoscalar", donde los espines del protón y del neutrón están alineados) podría aparecer en núcleos con el mismo número de neutrones y protones. En todos los núcleos atómicos estudiados hasta ahora, las estructuras a baja energía de excitación se caracterizan generalmente por las correlaciones de apareamiento entre pares de nucleones del mismo tipo, es decir, se forman pares de neutrones y pares de protones. Como en este caso se trata de partículas idénticas deben, de acuerdo con el principio de Pauli, alinear sus espines en direcciones opuestos. Este tipo de apareamiento da lugar a propiedades similares a las de helio superfluido y la superconductividad resultantes de electrones apareados en la física de materia condensada. En la estructura que se ha identificado en el isótopo de paladio 92Pd, los neutrones y protones se acoplan en un sistema de pares con espines alineados, dando lugar a propiedades totalmente diferentes en comparación con lo que encontramos en núcleos atómicos "normales". La interpretación de los datos experimentales está basada en cálculos realizados en el marco del modelo de capas. Estos cálculos sugieren una imagen de los núcleos pesados con N=Z completamente diferente a lo que se ha propuesto en anteriores modelos teóricos de apareamiento neutrón-protón. El descubrimiento lleva a una nueva comprensión del fenómeno del apareamiento en la física nuclear y también puede tener consecuencias para la comprensión de determinados procesos astrofísicos y, a través de estos, cómo algunos de los elementos se han producido en el universo.

El artículo publicado en Nature puede ser consultado aquí.


11 de enero de 2011