Una colaboración internacional que incluyó a científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) resolvió un acertijo de 50 años que explica por qué las desintegraciones beta de los núcleos atómicos son más lentas de lo esperado según las desintegraciones beta de los neutrones libres. .

Los resultados, publicado en Física de la naturaleza , llenar un vacío de larga data en la comprensión de los físicos sobre la desintegración beta, un proceso importante que utilizan las estrellas para crear elementos más pesados, y enfatizar la necesidad de incluir efectos sutiles —o física más realista— al predecir ciertos procesos nucleares.

"Por décadas, los científicos han carecido de una comprensión de los primeros principios de la desintegración beta nuclear, en el que los protones se convierten en neutrones, o viceversa, para formar otros elementos, "dijo el científico del personal de ORNL, Gaute Hagen, quien dirigió el estudio. "Nuestro equipo demostró que los modelos teóricos y la computación han progresado hasta el punto en que es posible calcular algunas propiedades de desintegración con suficiente precisión para permitir una comparación directa con el experimento".

Para resolver el problema, el equipo simuló que el estaño-100 se descomponía en indio-100, un elemento vecino en la tabla periódica. Los dos elementos comparten el mismo número de nucleones (protones y neutrones), con estaño-100 que posee 50 protones a indio-100's 49.

El cálculo de la desintegración beta requería que el equipo no solo simulara con precisión la estructura de los núcleos madre e hija, sino que también tomara en cuenta las interacciones entre dos nucleones durante la transición. Este tratamiento adicional presentó un desafío computacional extremo debido a la combinación de fuertes correlaciones e interacciones nucleares que involucran al nucleón en descomposición.

En el pasado, Los físicos nucleares solucionaron este problema insertando una constante fundamental para conciliar las tasas de desintegración beta observadas de los neutrones dentro y fuera del núcleo. una práctica conocida como "extinción". Pero con máquinas como la supercomputadora Titan de ORNL, El equipo de Hagen demostró que esta muleta matemática ya no es necesaria.

"Nadie entendió realmente por qué funcionó este factor de extinción. Simplemente lo hizo, ", dijo el científico computacional de ORNL Gustav Jansen." Descubrimos que podría explicarse en gran medida al incluir dos nucleones en la desintegración, por ejemplo, dos protones que se desintegran en un protón y un neutrón, o un protón y un neutrón que se desintegran en dos neutrones ".

El equipo, que incluía socios del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Universidad de Tennessee, Universidad de Washington, TRIUMF (Canadá), y la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania), realizó un estudio exhaustivo de las desintegraciones beta desde núcleos ligeros a medios pesados ​​hasta estaño-100.

El logro da a los físicos nucleares una mayor confianza en su búsqueda de respuestas a algunos de los misterios más desconcertantes relacionados con la formación de materia en el universo. Más allá de la desintegración beta regular, los científicos buscan calcular la desintegración beta doble sin neutrinos, una forma teorizada de desintegración nuclear que, si se observa, exploraría importantes nuevas físicas y ayudaría a determinar la masa del neutrino.

Estaño a adentro

Muchos elementos tienen isótopos que se descomponen durante largos períodos de tiempo. Por ejemplo, la vida media del carbono-14, el núcleo utilizado en la datación por carbono, es 5, 730 años. Otros núcleos, sin embargo, existen solo por fracciones de segundo antes de expulsar partículas en un intento de estabilizar.

En la desintegración beta de neutrones, se emiten un electrón y un antineutrino. Cuando el estaño-100 se transforma en indio-100, el núcleo sufre desintegración beta-plus, expulsar un positrón y un neutrino al convertir un protón en un neutrón.

Con su igual número de protones y neutrones, tin-100 exhibe una tasa inusualmente alta de desintegración beta, dando al equipo de ORNL una señal fuerte para verificar sus resultados. Es más, el núcleo de estaño-100 es "doblemente mágico, "lo que significa que los nucleones llenan capas definidas dentro del núcleo que lo hacen fuertemente unido y con una estructura relativamente simple. El código NUCCOR del equipo ORNL, que está programado para resolver el problema nuclear de muchos cuerpos, sobresale en la descripción de núcleos doblemente mágicos hacia arriba y hacia abajo en la carta nuclear.

"Un núcleo doblemente mágico como el estaño-100 no es tan complicado como muchos otros núcleos, "dijo Thomas Papenbrock, investigador de la Universidad de Tennessee y ORNL. "Esto significa que podemos calcularlo de manera confiable con nuestro método de clúster acoplado, que calcula las propiedades de los núcleos grandes teniendo en cuenta las fuerzas entre los nucleones individuales ".

Para modelar la desintegración beta, sin embargo, el equipo también tuvo que calcular la estructura del indio-100, un núcleo más complejo que el doblemente mágico Tin-100. Esto requirió un tratamiento más preciso de las fuertes correlaciones entre los nucleones. Tomando prestadas ideas de la química cuántica, que trata a los electrones como ondas, El equipo de Hagen desarrolló con éxito técnicas para modelar estos procesos.

"En nuestro caso, estamos tratando con nucleones en lugar de electrones, pero los conceptos de química cuántica nos han ayudado a ramificarnos a partir de núcleos doblemente mágicos y expandirnos hacia estas regiones de capa abierta, "dijo el físico de ORNL Titus Morris.

Experimento guía

Ahora que el equipo de Hagen ha demostrado que su comprensión de la desintegración beta está a la par con el experimento, busca aprovechar las nuevas supercomputadoras como la Cumbre de ORNL, el más poderoso del mundo, para orientar los experimentos actuales y futuros.

Los investigadores están utilizando actualmente Summit para simular cómo el calcio-48, otro núcleo doblemente mágico, sufriría una desintegración beta doble sin neutrones, un proceso en el que dos neutrones beta se desintegran en protones, pero sin emitir neutrinos. Los resultados podrían ayudar a los experimentadores en la selección de un material detector óptimo para el posible descubrimiento de este raro fenómeno.

"En la actualidad, los cálculos que utilizan diferentes modelos nucleares de desintegración beta doble sin neutrinos pueden diferir hasta en un factor de seis, ", Dijo Hagen." Nuestro objetivo es proporcionar un punto de referencia para otros modelos y teorías ".