Durante más de una década, un equipo interdisciplinario de químicos y físicos en Artes y Ciencias de la Universidad de Washington en St. Louis ha estado persiguiendo el núcleo atómico. Con estudios progresivos, ascendieron por la cadena de elementos hasta Calcio-48, un producto sólido extremadamente raro que tiene más neutrones que protones y, como tal, tiene un alto precio de $ 100, 000 por gramo.

Es un material peculiar, con este estudio en particular que llevó a los químicos de la Universidad de Washington Robert J. Charity y Lee G. Sobotka del Laboratorio Nuclear de las Universidades Triangle de Duke al Laboratorio Nacional de Los Alamos (N.M.) del Departamento de Energía.

"Si lo dejas sobre una mesa, se convierte en polvo, "dijo la coautora Charity, profesor investigador de química en artes y ciencias. "El calcio se oxida muy rápidamente en el aire. Era una preocupación".

Por último, tres gramos de Ca-48 ayudaron a producir un hallazgo de doble filo para Charity y el coautor Willem H. Dickhoff, profesor de física. Su equipo descubrió tanto un marco para predecir dónde habitarán los neutrones en un núcleo como una forma de predecir el grosor de la piel de un núcleo.

En su investigación publicada el 29 de noviembre en Cartas de revisión física , predijeron cómo los neutrones crearían una piel gruesa, y que esta capa de Ca-48—3.5 femtómetros (fm) de radio — medía 0.249 + 0.023 fm.

Para convertir eso en centímetros, mediría 2,49 × 10 ^-14 cm. Los investigadores dicen que el hallazgo clave es que la piel es más gruesa y más rica en neutrones de lo que se creía anteriormente.

"Eso nos vincula con la astrofísica y, en particular, física de estrellas de neutrones, Dickhoff dijo sobre los resultados de la investigación. “El experimento de Los Alamos fue fundamental para el análisis que realizamos. Al final, debido a que tiene este conjunto adicional de neutrones, nos lleva a información que nos ayuda a aclarar aún más la física de las estrellas de neutrones. donde hay muchos más neutrones en relación con los protones.

"Y nos da la oportunidad de predecir dónde están los neutrones en Ca-48, "Dijo Dickhoff." Esa es la información crítica, lo que conduce a la predicción de la piel de neutrones ".

Por caridad, Dickhoff y los coautores Hossein Mahzoon, PhD '15, profesor de física en la Universidad Estatal de Truman en Kirksville, Mes., y Mack Atkinson, un candidato a doctorado en física en la Universidad de Washington, la persecución continúa.

Observan con interés cómo está programado que el Ca-48 se someta a la prueba de espesor de piel más limpia disponible a través del acelerador de electrones en la Instalación Nacional del Acelerador Thomas Jefferson en Newport News. Virginia.

Es más, proceden a ascender por la cadena de elementos de núcleos ricos en neutrones hasta lo que Charity llamó el "núcleo famoso" de Plomo-208. Michael Keim, un estudiante de último año en física, encabeza un estudio de Lead-208.

"Nos dará un control experimental sobre si nuestro análisis es realmente predictivo, ", Dijo Dickhoff." Creemos que tenemos un buen argumento de por qué creemos que tiene una piel gruesa ". Hay un gran grupo de personas ... que predicen una piel más pequeña. Esto es directamente relevante para comprender el tamaño de las estrellas de neutrones. Aún no está muy claro qué tan grande es una estrella de neutrones:su radio ".

La forma en que hicieron su análisis y alcanzaron este marco predictivo también es parte de su búsqueda de una década. Su grupo de química-física se suscribe a "relaciones de dispersión, "que Sobotka, que es profesor de química y física, explicó simplemente:"Es lo que te dice que no te rías antes de que te hagan cosquillas. Eso significa que la causalidad se tiene debidamente en cuenta".

En breve, analizan todas las energías simultáneamente en lugar de enfocarse en una sola energía.

Desde que publicamos juntos por primera vez en 2006, han utilizado el modelo óptico dispersivo (DOM) desarrollado hace un cuarto de siglo por Claude Mahauxa, un teórico nuclear de Bélgica. Lo ampliaron, a través de dominios de energía e isótopos, para poder intentar predecir dónde están las partículas nucleares.

"Tuvimos que dar el paso técnico para incluir las sensibilidades de las partículas, Dickhoff dijo. Usó sus manos para ilustrar el centro y luego el resto de un núcleo:"Si están aquí, también fueron influenciados por todas partes. Lo que llamamos 'no localidad'. Sin eso, no puedes hacer estas predicciones ".

Los elementos ricos en neutrones pesados ​​se comportan de manera diferente. Entonces este equipo sigue ascendiendo en las clases de peso pesado:Ca-40, Ca-48, Plomo-208. "¿Hasta dónde se puede llegar a lo largo de una cadena de isótopos hasta perder neutrones?" Charity dijo. Les da piel en el juego de la piel.

"Cuando pones neutrones adicionales, eso no le gusta, ", dijo Charity sobre el núcleo atómico." Tiene que descubrir cómo acomodar estos neutrones adicionales. Puede colocarlos uniformemente por todo el núcleo. O podría ponerlos en la superficie. Entonces la pregunta es:¿Es esta fuerza más fuerte en la región de baja densidad del núcleo o más débil? "

"Sabemos dónde están los protones, "Añadió Dickhoff." Eso está bien establecido experimentalmente. Pero no puedes hacer eso fácilmente con neutrones. Simplemente quiero saber qué es un nucleón, un protón o un neutrón, está haciendo. ¿Cómo está gastando su tiempo? Los nucleones son más interactivos:hacen otras cosas además de sentarse en silencio en sus órbitas. Eso es lo que este método puede decirnos ".

Su marco DOM no local (más de una década en desarrollo) utiliza modelos y cálculos informáticos, así como la experimentación de laboratorio. Les permite "hacer una predicción bien fundada y tomada en serio, "Dijo Dickhoff." Siguiente, tendremos una medida para Plomo-208 ".