Los científicos del Centro RIKEN Nishina para la investigación basada en aceleradores y sus colaboradores han utilizado el acelerador de iones pesados ​​del centro, la fábrica de vigas de RI, para demostrar que el níquel-78, un isótopo de níquel rico en neutrones "doblemente mágico" con 28 protones y 50 neutrones, aún mantiene una forma esférica que lo hace relativamente estable a pesar del gran desequilibrio en el número de protones y neutrones. También descubrieron una sorpresa:las observaciones del experimento sugieren que el níquel-78 puede ser el núcleo más ligero con 50 neutrones que tiene una naturaleza mágica. Los isotonos más ligeros, es decir, núcleos con el mismo número de neutrones pero diferente número de protones, inevitablemente se deformarían, a pesar de tener el número mágico de neutrones.

Comprender la validez de los números mágicos en núcleos extremadamente ricos en neutrones es crucial para comprender por qué nuestro universo tiene la mezcla de núcleos que vemos hoy. Los elementos más pesados ​​que el hierro no se sintetizan en la quema normal de estrellas, pero se crean principalmente a través de dos procesos conocidos como s-process y r-process, que involucran núcleos que capturan neutrones adicionales. El proceso r, en el que los neutrones se absorben rápidamente, es particularmente importante ya que es responsable de la creación de ciertos núcleos ricos en neutrones. Durante el proceso, Los núcleos acumulan neutrones hasta que alcanzan un estado en el que ya no pueden aceptarlos (este estado se conoce como punto de espera) y luego se someten a un proceso conocido como desintegración beta. en el que pierden un neutrón pero ganan un protón, permitiéndoles comenzar a aceptar nuevos neutrones. El proceso r, que representa aproximadamente la mitad de la producción de núcleos más pesados ​​que el hierro, solo puede tener lugar en entornos extraordinarios ricos en neutrones, como explosiones de supernovas y fusiones de estrellas de neutrones como la que se observó en 2017.

La ubicación precisa de estos "puntos de espera" no se comprende bien, sin embargo. Lo que complica el proceso es que los números mágicos de protones o neutrones, equivalente a la idea de capas de electrones cerradas en química, hacen que los núcleos sean más resistentes a la captura de más neutrones. Un número mágico conocido es 50 neutrones, pero no está claro si este número se conserva para núcleos extremadamente ricos en neutrones.

Para obtener una respuesta el grupo decidió experimentar con níquel-78, un isótopo doblemente mágico que solo recientemente se ha vuelto accesible a la experimentación gracias a potentes aceleradores como el RI Beam Factory en Japón, el utilizado en este estudio. Para realizar el experimento, publicado en Naturaleza , los investigadores combinaron observaciones del detector MINOS operado por CEA en Francia y el detector DALI2 operado por RIKEN, ambos ubicados dentro del complejo RIBF. Generaron un rayo de uranio-238 y lo usaron para bombardear un objetivo de berilio, obligando al uranio a fisión en isótopos como el cobre-79 y el zinc-80, ambos con 50 neutrones.

Estos dos rayos se enviaron luego para golpear un objetivo de hidrógeno, a veces produciendo níquel-78, el foco de la investigación.

Usando detectores de rayos gamma, el grupo demostró que el níquel-78 es relativamente estable, según lo predicho por los cálculos, manteniendo una forma esférica en lugar de deformada. Ryo Taniuchi de la Universidad de Tokio y el Centro RIKEN Nishina para la ciencia basada en aceleradores dice:"Nos alegró poder demostrar experimentalmente que el níquel-78 mantiene la forma esférica que los cálculos predijeron. Nos sorprendió, sin embargo, para descubrir que el núcleo también tiene una forma competitiva, que no es esférico, y que cualquier isótono más ligero que el que usamos estaría sujeto a esta deformación y no mantendría su naturaleza mágica ".

Pieter Doornenbal del Centro Nishina dice:"Este es un hallazgo importante, ya que nos brinda nuevos conocimientos sobre cómo aparecen y desaparecen los números mágicos en el paisaje nuclear y afectan el proceso de nucleosíntesis que condujo a la abundancia de isótopos que vemos en el universo de hoy. Tenemos la intención de hacer más experimentos con isotonos aún más ligeros con 50 neutrones para demostrar experimentalmente este hallazgo ".