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    Los electrones capturados excitan los núcleos a estados de mayor energía

    Los científicos y colaboradores de Argonne utilizaron la Gammasphere, este poderoso espectrómetro de rayos gamma, para ayudar a crear las condiciones adecuadas para causar y detectar un efecto teorizado desde hace mucho tiempo llamado excitación nuclear por captura de electrones. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne

    Por primera vez, físicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y sus colaboradores, dirigido por un equipo del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU., demostró un efecto nuclear teorizado desde hace mucho tiempo. Este avance pone a prueba modelos teóricos que describen cómo interactúan los reinos nuclear y atómico y también puede proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo se crean los elementos estelares.

    Los físicos predijeron primero el efecto, llamada excitación nuclear por captura de electrones (NEEC), hace más de 40 años. Pero los científicos no lo habían visto hasta ahora. Usando el sistema acelerador Argonne Tandem Linac (ATLAS), y Gammasphere, un potente espectrómetro de rayos gamma, los investigadores crearon las condiciones adecuadas para causar y detectar el comportamiento.

    El efecto NEEC ocurre cuando un átomo cargado captura un electrón, dando al núcleo del átomo suficiente energía para saltar a un estado de excitación superior.

    Un núcleo excitado permanece en cada estado de energía por un tiempo antes de decaer al estado debajo de él, derramando energía en forma de rayos gamma. Estos estados excitados suelen durar mucho menos de una mil millonésima de segundo, pero en algunos casos raros, pueden vivir mucho más tiempo, incluso durante millones de veces la edad del universo.

    Los estados de energía de vida más larga se denominan isómeros, y observar el efecto NEEC, los investigadores produjeron un isómero con una vida media de aproximadamente siete horas. En otras palabras, después de siete horas de existir en el nivel de energía isomérica, aproximadamente la mitad de los núcleos de este tipo se descompondrán.

    Los científicos optaron por producir este núcleo, llamado 93 Mes, un isótopo de molibdeno, debido a su disposición única de niveles de energía. "Hay un nivel de energía permitido no muy por encima del estado del isómero, "dijo Chris Chiara del Laboratorio de Investigación del Ejército, científico principal del estudio. "Bajo circunstancias normales, el isómero se descompondrá naturalmente después de aproximadamente siete horas, pero si ocurre NEEC, el núcleo se excita fuera del isómero a un estado ligeramente superior. Ese estado luego decae rápidamente a un estado por debajo del isómero, emitiendo rayos gamma que tienen energías distintas que podemos buscar ".

    Los científicos y colaboradores de Argonne utilizaron el sistema acelerador Argonne Tandem Linac para ayudar a crear las condiciones adecuadas para causar y detectar un efecto teorizado desde hace mucho tiempo llamado excitación nuclear por captura de electrones. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne

    Para hacer 93 Mes, los investigadores utilizaron ATLAS, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para acelerar un haz de iones hacia los átomos en una lámina objetivo donde los núcleos de los dos se fusionaron. Estas reacciones se formaron 93 Mo en un estado muy emocionado en el centro de Gammasphere, que esperó para detectar evidencia del efecto en forma de rayos gamma.

    Como el 93 Los átomos de Mo se mueven a través del material objetivo, chocan con átomos que los ralentizan y les quitan electrones, poniéndolos en un estado de carga alta. Los electrones de los átomos objetivo llenan esas vacantes en el 93 Mes, y si los electrones tienen la energía adecuada antes de la captura, pueden excitar el núcleo al siguiente estado más elevado. Cuando este estado decae, el núcleo libera un rayo gamma que se remonta a la reacción NEEC.

    El objetivo, realizado por el creador de objetivos interno de ATLAS, John Greene, jugó un papel crucial en la detección de NEEC. Greene pudo trabajar sobre la marcha, ajustando el objetivo a medida que los científicos aprendían más sobre el 93 Mo núcleo. Con todo en su lugar el equipo comenzó a recopilar datos.

    "Detectamos rayos gamma de estas reacciones en el transcurso del experimento de tres días, y acumulamos alrededor de ocho mil millones de eventos en total, "dijo Mike Carpenter, un líder de grupo en Argonne a cargo de Gammasphere. "De estos eventos, pudimos identificar alrededor de 500 rayos gamma que fueron emitidos durante la desintegración de 93 Mo que no se habría publicado si no fuera por NEEC ".

    El poder y la sensibilidad de Gammasphere fueron vitales para el éxito del experimento. "Hicimos uso de un nuevo modo digital Gammasphere, lo que nos permitió correr a una velocidad cinco veces mayor de lo que hubiera sido posible con el sistema analógico más antiguo, ", dijo Chiara. Pero no solo el hardware de ATLAS era importante". Como expertos en el campo de la espectroscopia de rayos gamma, el personal de Argonne brindó un apoyo científico y técnico invaluable, "añadió.

    El éxito del equipo puede conducir a avances en astronomía y cosmología, ya que podría mejorar la precisión de los modelos que utilizan los científicos para medir cómo se forman las estrellas. Las cantidades de elementos de una estrella dependen en gran medida de la estructura y el comportamiento de los núcleos. Durante largos periodos, y con una gran cantidad de átomos interactuando, la supervivencia —o destrucción— de isómeros específicos puede tener una influencia acumulativa. Tener en cuenta el efecto NEEC podría mejorar nuestra comprensión de de qué están hechas las estrellas y cómo evolucionan.

    Los científicos del Laboratorio de Investigación del Ejército también están interesados ​​en posibles aplicaciones futuras para la liberación controlada de energía nuclear a partir de isómeros a través del efecto NEEC. Si los científicos e ingenieros pudieran aprovechar esta energía, podría ayudar a desarrollar fuentes de energía con 100, 000 veces más energía por unidad de masa que las baterías químicas.

    Los resultados del experimento se publicaron en un artículo titulado "Agotamiento de isómeros como evidencia experimental de excitación nuclear por captura de electrones, "el 8 de febrero de Naturaleza .

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