Observaciones recientes de la estructura interna del raro isótopo rutenio-88 arrojan nueva luz sobre la estructura interna de los núcleos atómicos, un avance que también podría conducir a una mayor comprensión de cómo se forman algunos elementos químicos en la naturaleza y sus isótopos.

Dirigido por Bo Cederwall, Profesor de Física Nuclear Experimental en KTH Royal Institute of Technology, un equipo de investigación internacional identificó nuevos estados de rotación en los extremadamente deficientes en neutrones, deformado, núcleo atómico ⁸⁸ Ru. Los resultados sugieren que la estructura de este exótico sistema nuclear está fuertemente influenciada por la presencia de pares neutrón-protón fuertemente acoplados.

"Esta estructura es fundamentalmente diferente de las condiciones normales observadas en los núcleos atómicos, donde los neutrones y protones interactúan en pares en sistemas separados, formando un estado casi superfluido, "Dice Cederwall.

Los resultados también pueden sugerir explicaciones alternativas de cómo la producción de diferentes elementos químicos, y en particular sus isótopos más pobres en neutrones, procede en las reacciones de nucleosíntesis en ciertos entornos estelares, como las binarias gigantes rojas de estrellas de neutrones, él dice.

El descubrimiento, que se publicó el 12 de febrero en la revista, Cartas de revisión física , resultados de un experimento en el Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Francia, utilizando el Advanced Gamma Tracking Array (AGATA).

Los investigadores utilizaron colisiones nucleares para crear núcleos atómicos altamente inestables con el mismo número de neutrones y protones. Su estructura fue estudiada mediante el uso de instrumentos sensibles, incluyendo AGATA, detectar la radiación que emiten en forma de fotones de alta energía, neutrones, protones y otras partículas.

De acuerdo con el Modelo Estándar de física de partículas que describe las partículas elementales y sus interacciones, hay dos tipos generales de partículas en la naturaleza; bosones y fermiones, que tienen giros enteros y medio enteros, respectivamente. Ejemplos de fermiones son partículas fundamentales como el electrón y el neutrino electrónico, pero también partículas compuestas como el protón y el neutrón y sus bloques de construcción fundamentales. los quarks. Ejemplos de bosones son los portadores de fuerza fundamentales; el fotón, los bosones del vector intermedio, los gluones y el gravitón.

Las propiedades de un sistema de partículas difieren considerablemente según se base en fermiones o bosones. Como resultado del principio de Pauli de la mecánica cuántica, en un sistema de fermiones (como un núcleo atómico), solo una partícula puede mantener un cierto estado cuántico en un cierto punto en el espacio y el tiempo. Para que aparezcan varios fermiones juntos, al menos una propiedad de cada fermión, como su giro, debe ser diferente. A baja temperatura, los sistemas de muchos fermiones pueden exhibir condensados ​​de partículas apareadas que se manifiestan como superfluidez para partículas no cargadas (por ejemplo, el superfluido 3He), y superconductividad para partículas cargadas, como los electrones en un superconductor por debajo de la temperatura crítica. Bosones, por otra parte, puede condensarse individualmente con un número ilimitado de partículas en el mismo estado, los denominados condensados ​​de Bose-Einstein.

En la mayoría de los núcleos atómicos que están cerca de la línea de estabilidad beta y en su estado fundamental, o emocionado por una energía no muy por encima de ella, la estructura básica parece estar basada en condensados ​​de partículas correlacionadas por pares con el mismo número cuántico de isospin pero con espines opuestos. Esto significa que los neutrones y los protones se emparejan por separado. Estas correlaciones de pares de isovectores dan lugar a propiedades similares a la superfluidez y la superconductividad. En núcleos deformados, esta estructura se revela, por ejemplo, como discontinuidades en la frecuencia rotacional cuando se incrementa la energía de excitación rotacional del núcleo.

Tales discontinuidades, que fueron descubiertos ya a principios de la década de 1970 por el profesor emérito de KTH Arne Johnson, han sido etiquetados como "flexión hacia atrás". La frecuencia de flexión inversa es una medida de la energía necesaria para romper un par de neutrones o protones y, por lo tanto, también refleja la energía liberada por la formación de un par de nucleones en el núcleo. Existen predicciones teóricas de larga data de que los sistemas de pares neutrón-protón se pueden mezclar con, o incluso reemplazar, las correlaciones de pares de isovectores estándar en núcleos atómicos exóticos con igual número de protones y neutrones. La estructura nuclear resultante del componente isoscalar de tales correlaciones de pares es diferente de la que se encuentra en los núcleos atómicos "ordinarios" cercanos a la estabilidad. Entre los diferentes observables experimentales posibles, Se predice que la frecuencia de flexión inversa en núcleos deformados aumentará significativamente en comparación con núcleos con diferentes números de neutrones y protones.

El grupo de investigación KTH ha observado previamente evidencia de fuertes correlaciones neutrón-protón en el núcleo nuclear esférico 92Pd, que fue publicado en la revista Naturaleza . El isótopo de rutenio ⁸⁸ Ru con 44 neutrones y 44 protones, está deformado y exhibe una estructura similar a una rotación que ahora se ha observado hasta un giro más alto, o frecuencia de rotación, de lo que antes era posible. La nueva medición proporciona un ángulo diferente sobre las correlaciones de pares nucleares en comparación con el trabajo anterior. Al confirmar las predicciones teóricas de un cambio hacia una mayor frecuencia de flexión inversa, proporciona evidencia complementaria de la aparición de fuertes correlaciones de pares isoscalares en los sistemas nucleares más pesados ​​con igual número de neutrones y protones.