El trabajo abre un camino hacia cálculos precisos de la estructura de otros núcleos.

En un estudio que combina trabajo experimental y cálculos teóricos hechos posibles por supercomputadoras, los científicos han determinado la geometría nuclear de dos isótopos de boro. El resultado podría ayudar a abrir un camino hacia cálculos precisos de la estructura de otros núcleos que los científicos podrían validar experimentalmente.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con científicos de Alemania y Polonia, determinó la diferencia en una cantidad conocida como radio de carga nuclear entre el boro-10 y el boro-11. El radio de carga nuclear indica el tamaño de un núcleo atómico, que a menudo tiene bordes relativamente indistintos.

Los radios de carga nuclear son difíciles de calcular con alta precisión para átomos mucho más grandes que el boro debido a la gran cantidad de neutrones y protones cuyas propiedades e interacciones deben derivarse de la mecánica cuántica.

La teoría nuclear se basa en la cromodinámica cuántica (QCD), un conjunto de reglas físicas que se aplican a los quarks y gluones que componen los protones y neutrones dentro del núcleo. Pero tratar de resolver la dinámica nuclear usando QCD solo sería una tarea casi imposible debido a su complejidad, y los investigadores deben basarse en al menos algunos supuestos simplificadores.

Debido a que el boro es relativamente ligero, con solo cinco protones y un puñado de neutrones, el equipo pudo modelar con éxito los dos isótopos de boro en la supercomputadora Mira y estudiarlos experimentalmente usando espectroscopía láser. Mira es parte de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

"Este es uno de los núcleos atómicos más complicados para los que es posible llegar a estas medidas precisas experimentalmente y derivarlas teóricamente, "dijo el físico nuclear de Argonne, Peter Mueller, que ayudó a dirigir el estudio.

Mirando cómo las configuraciones nucleares de boro-11 ( ¹¹ B) y boro-10 ( ¹⁰ B) diferían implicados en la toma de determinaciones a escalas de longitud extraordinariamente pequeñas:menos de un femtómetro, una cuadrillonésima parte de un metro. En un hallazgo contrario a la intuición, los investigadores determinaron que los 11 nucleones del boro-11 en realidad ocupan un volumen menor que los 10 nucleones del boro-10.

Para observar experimentalmente los isótopos de boro, Científicos de la Universidad de Darmstadt realizaron espectroscopía láser en muestras de isótopos, que emiten fluorescencia a diferentes frecuencias. Si bien la mayor parte de la diferencia en los patrones de fluorescencia se debe a la diferencia en la masa entre los isótopos, hay un componente en la medición que refleja el tamaño del núcleo, explicó el físico de Argonne, Robert Wiringa.

Para separar estos componentes, colaboradores de la Universidad de Varsovia y la Universidad Adam Mickiewicz en Poznan llevaron a cabo cálculos de teoría atómica de última generación que describen con precisión la complicada danza de los cinco electrones alrededor del núcleo del átomo de boro.

"Los experimentos anteriores de dispersión de electrones no podían decir con certeza cuál era más grande, ", Dijo Wiringa." Mediante el uso de esta técnica de espectroscopia láser, podemos ver con certeza cómo el neutrón adicional se une al boro-11 más estrechamente ".

La buena concordancia entre el experimento y la teoría para las dimensiones del núcleo permite a los investigadores determinar otras propiedades de un isótopo, como su tasa de desintegración beta, con mayor confianza. "La capacidad de realizar cálculos y experimentos va de la mano para validar y reforzar nuestros hallazgos, "Dijo Mueller.

La siguiente etapa de la investigación probablemente involucrará el estudio de boro-8, que es inestable y solo tiene una vida media de aproximadamente un segundo antes de que se descomponga. Debido a que hay menos neutrones en el núcleo, está mucho menos unido que sus vecinos estables y se cree que tiene un radio de carga extendido, Dijo Mueller. "Hay una predicción, pero solo el experimento nos dirá qué tan bien modela realmente este sistema débilmente ligado, " él explicó.

Un artículo basado en la investigación, "Radios de carga nuclear de 10, 11B, "aparece en la edición del 10 de mayo de Cartas de revisión física .