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    Nuevas mediciones de una forma exótica de magnesio sugieren un sorprendente cambio de forma

    Esta instrumentación en la fábrica de haces de isótopos radiactivos de Japón en Wako, Japón, se utilizó en un experimento para crear un isótopo de magnesio exótico. Crédito:Centro RIKEN Nishina para la ciencia basada en aceleradores

    Hace poco más de una década, los científicos llevaron los átomos de magnesio a nuevos límites, atascando neutrones adicionales en sus núcleos hacia, y posiblemente alcanzando, el límite máximo para este elemento.

    Ahora, un equipo internacional dirigido por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ha reproducido este sistema exótico, conocido como magnesio-40, y obtuvo pistas nuevas y sorprendentes sobre su estructura nuclear.

    "El magnesio-40 se encuentra en una intersección donde hay muchas preguntas sobre cómo se ve realmente, "dijo Heather Crawford, científico de planta de la División de Ciencias Nucleares del Berkeley Lab y autor principal de este estudio, publicado en línea el 7 de febrero en Cartas de revisión física diario. "Es una especie extremadamente exótica".

    Mientras que el número de protones (que tienen una carga eléctrica positiva) en su núcleo atómico define el número atómico de un elemento, donde se encuentra en la tabla periódica, el número de neutrones (que no tienen carga eléctrica) puede diferir. El tipo más común y estable de átomo de magnesio que se encuentra en la naturaleza tiene 12 protones, 12 neutrones, y 12 electrones (que tienen carga negativa).

    Los átomos del mismo elemento con diferentes recuentos de neutrones se conocen como isótopos. El isótopo de magnesio-40 (Mg-40) que estudiaron los investigadores tiene 28 neutrones, que puede ser el máximo para los átomos de magnesio. Para un elemento dado, el número máximo de neutrones en un núcleo se denomina "línea de goteo de neutrones":si intenta agregar otro neutrón cuando ya está en su capacidad, el neutrón extra "goteará" inmediatamente fuera del núcleo.

    "Es extremadamente rico en neutrones, ", Dijo Crawford." No se sabe si el Mg-40 está en la línea de goteo, pero seguro que está muy cerca. Este es uno de los isótopos más pesados ​​que se pueden alcanzar actualmente de forma experimental cerca de la línea de goteo ".

    La forma y estructura de los núcleos cerca de la línea de goteo es particularmente interesante para los físicos nucleares porque puede enseñarles cosas fundamentales sobre cómo se comportan los núcleos en los extremos de la existencia.

    "La pregunta interesante en nuestras mentes desde el principio, cuando te acercas tanto a la línea de goteo, es:'¿Cambia la forma en que los neutrones y protones se organizan?' ", dijo Paul Fallon, científico principal de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab y coautor del estudio. "Uno de los principales objetivos del campo de la física nuclear es comprender la estructura desde el núcleo de un elemento hasta la línea de goteo".

    Una comprensión tan fundamental puede informar teorías sobre procesos explosivos como la creación de elementos pesados ​​en fusiones y explosiones estelares, él dijo.

    El estudio se basa en experimentos en la fábrica de haces de isótopos radiactivos de Japón (RIBF), que se encuentra en el RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science en Wako, Japón. Los investigadores combinaron la potencia de tres ciclotrones, un tipo de acelerador de partículas desarrollado por primera vez por el fundador de Berkeley Lab, Ernest Lawrence, en 1931, para producir haces de partículas de muy alta energía que viajan a aproximadamente el 60 por ciento de la velocidad de la luz.

    Una imagen del "cóctel" del haz secundario producido en un centro de ciclotrones en Japón para un estudio de Mg-40, un isótopo exótico de magnesio. El eje X muestra la relación masa-carga, y el eje Y muestra el número atómico. Esta imagen apareció en la portada de la revista. Cartas de revisión física . Crédito:H.L. Crawford et al ., Phys. Rev. Lett . 122, 052501, 2019

    El equipo de investigación utilizó un potente haz de calcio-48, que es un isótopo estable de calcio con un número mágico de protones (20) y neutrones (28), golpear un disco giratorio de carbono de varios milímetros de espesor.

    Algunos de los núcleos de calcio-48 chocaron contra los núcleos de carbono, en algunos casos produce un isótopo de aluminio conocido como aluminio-41. El experimento de física nuclear separó estos átomos de aluminio-41, que luego se canalizaron para golpear un objetivo de plástico (CH2) de centímetros de espesor. El impacto con este objetivo secundario apartó un protón de algunos de los núcleos de aluminio-41, creando núcleos de Mg-40.

    Este segundo objetivo estaba rodeado por un detector de rayos gamma, y los investigadores pudieron investigar los estados excitados del Mg-40 basándose en las mediciones de los rayos gamma emitidos en las interacciones haz-objetivo.

    Además de Mg-40, las mediciones también capturaron las energías de estados excitados en otros isótopos de magnesio, incluyendo Mg-36 y Mg-38.

    "La mayoría de los modelos dijeron que el Mg-40 debería verse muy similar a los isótopos más ligeros, "Dijo Crawford." Pero no fue así. Cuando vemos algo que se ve muy diferente, entonces el desafío es que las nuevas teorías capturen todo esto ".

    Debido a que las teorías ahora no están de acuerdo con lo que se vio en los experimentos, Se necesitan nuevos cálculos para explicar qué está cambiando en la estructura de los núcleos de Mg-40 en comparación con el Mg-38 y otros isótopos.

    Fallon dijo que muchos cálculos sugieren que los núcleos de Mg-40 están muy deformados, y posiblemente en forma de balón de fútbol, por lo que los dos neutrones agregados en Mg-40 pueden estar zumbando alrededor del núcleo para formar un llamado núcleo halo en lugar de incorporarse a la forma exhibida por los isótopos de magnesio vecinos.

    "Especulamos sobre algunos aspectos de la física, pero esto debe confirmarse con cálculos más detallados, " él dijo.

    Crawford dijo que las mediciones y la teoría adicionales funcionan con Mg-40, y que los isótopos cercanos podrían ayudar a identificar positivamente la forma del núcleo de Mg-40, y explicar qué está provocando el cambio en la estructura nuclear.

    Los investigadores notaron que la instalación de física nuclear para haces de isótopos raros, una nueva instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que está en construcción en la Universidad Estatal de Michigan, combinado con la matriz de seguimiento de energía de rayos gamma (GRETA) que se está construyendo en Berkeley Lab, permitirá más estudios de otros elementos cerca de la línea de goteo nuclear.

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