¿Cómo actúan los elementos químicos, los bloques de construcción de nuestro universo, construirse? Esta cuestión ha estado en el centro de la física nuclear durante la mayor parte de un siglo.

A principios del siglo XX, Los científicos descubrieron que los elementos tienen un núcleo o núcleo central. Estos núcleos constan de varios números de protones y neutrones.

Ahora, Los científicos de la instalación para haces de isótopos raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan han construido y probado un dispositivo que permitirá obtener información fundamental sobre elementos pesados, o elementos con un gran número de protones y neutrones. Ben Kay, físico del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), lideró este esfuerzo. FRIB es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Kay y su equipo han completado su primer experimento con el dispositivo, llamado SOLARIS, que significa Aparato de espectrómetro de solenoide para estudios de reacción. Los experimentos planificados revelarán información sobre reacciones nucleares que crean algunos de los elementos más pesados ​​de nuestro mundo, que van desde el hierro hasta el uranio.

También están previstos experimentos con isótopos exóticos. Los isótopos son elementos que comparten la misma cantidad de protones pero tienen diferente cantidad de neutrones. Los científicos se refieren a ciertos isótopos como exóticos porque sus proporciones de protones a neutrones difieren de las de los isótopos típicamente estables o de larga duración que se encuentran naturalmente en la Tierra. Algunos de estos isótopos inestables juegan un papel esencial en los eventos astronómicos.

"Estrellas explosivas, la fusión de estrellas gigantes colapsadas, ahora estamos aprendiendo detalles sobre las reacciones nucleares en el corazón de estos eventos, "dijo Kay." Con SOLARIS, podemos recrear esas reacciones aquí, en la tierra, para verlos por nosotros mismos ".

El nuevo dispositivo sigue los pasos de HELIOS, el espectrómetro de órbita helicoidal, en Argonne. Ambos usan imanes superconductores reutilizados de manera similar de una máquina de imágenes por resonancia magnética (MRI) como la que se encuentra en los hospitales. En ambos, se dispara un haz de partículas a un material objetivo dentro de una cámara de vacío. Cuando las partículas chocan con el objetivo, ocurren reacciones de transferencia. En tales reacciones, los neutrones o protones se eliminan o se agregan de los núcleos, dependiendo de las partículas, y sus energías, utilizado en la colisión.

"Al registrar la energía y el ángulo de las diversas partículas que se liberan o desvían de las colisiones, podemos recopilar información sobre la estructura de los núcleos en estos isótopos, ", dijo Kay." El diseño innovador de SOLARIS proporciona la resolución necesaria para mejorar nuestra comprensión de estos núcleos exóticos ".

Lo que hace que SOLARIS sea verdaderamente único es que puede funcionar como un espectrómetro de modo dual, lo que significa que puede realizar mediciones con haces de intensidad alta o muy baja. "SOLARIS puede funcionar en estos dos modos, "explicó Kay." Uno usa una matriz de detectores de silicio tradicional en el vacío. El otro utiliza el nuevo objetivo lleno de gas de la cámara de proyección de tiempo de objetivo activo en el estado de Michigan, dirigido por el miembro del equipo de SOLARIS y físico senior de FRIB Daniel Bazin. Este primer experimento probó el AT-TPC. "El AT-TPC permite a los científicos utilizar haces más débiles y aún así recopilar resultados con la alta precisión necesaria.

El AT-TPC es esencialmente una cámara grande llena de un gas que sirve tanto como objetivo para el rayo como como medio detector. Esto difiere de la cámara de vacío tradicional que utiliza una matriz de detectores de silicio y una cámara separada, delgada, objetivo sólido.

"Al llenar la cámara con gas, te aseguras de que cuantos menos, las partículas más grandes del haz de baja intensidad entrarán en contacto con el material objetivo, "dijo Kay. De esa manera, los científicos pueden entonces estudiar los productos de esas colisiones.

El primer experimento del equipo, dirigido por la investigadora asociada Clementine Santamaria de FRIB, examinó la descomposición del oxígeno-16 (el isótopo de oxígeno más común en nuestro planeta) en partículas alfa mucho más pequeñas. En particular, los ocho protones y ocho neutrones en los núcleos de oxígeno-16 se rompen en un total de cuatro partículas alfa, cada uno formado por dos protones y dos neutrones.

"Al determinar cómo se descompone el oxígeno 16 de esta manera, se pueden hacer comparaciones con la del estado de Hoyle, 'un estado excitado de un isótopo de carbono que creemos que juega un papel clave en la producción de carbono en las estrellas, "explicó Kay.

Kay y su equipo registraron más de dos millones de reacciones durante este experimento y observaron varios casos de desintegración del oxígeno 16 en partículas alfa.

La doble funcionalidad de SOLARIS permitirá una gama aún más amplia de experimentos de reacción nuclear que antes, y brindar a los científicos nuevos conocimientos sobre algunos de los mayores misterios del cosmos.