Un misterio de larga data en el campo de la física nuclear es por qué el universo está compuesto por los materiales específicos que vemos a nuestro alrededor. En otras palabras, ¿Por qué está hecho de "esto" y no de otras cosas?

Específicamente de interés son los procesos físicos responsables de producir elementos pesados, como el oro, platino y uranio, que se cree que ocurren durante fusiones de estrellas de neutrones y eventos estelares explosivos.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) dirigieron un experimento internacional de física nuclear realizado en el CERN, la Organización Europea de Investigación Nuclear, que utiliza técnicas novedosas desarrolladas en Argonne para estudiar la naturaleza y el origen de elementos pesados ​​en el universo. El estudio puede proporcionar información crítica sobre los procesos que trabajan juntos para crear los núcleos exóticos, e informará a los modelos de eventos estelares y el universo temprano.

Los físicos nucleares de la colaboración son los primeros en observar la estructura de capa de neutrones de un núcleo con menos protones que el plomo y más de 126 neutrones, "números mágicos" en el campo de la física nuclear.

En estos números mágicos, de los cuales 8, 20, 28, 50 y 126 son valores canónicos, los núcleos tienen una estabilidad mejorada, tanto como lo hacen los gases nobles con las capas de electrones cerradas. Los núcleos con neutrones por encima del número mágico de 126 están en gran parte inexplorados porque son difíciles de producir. El conocimiento de su comportamiento es crucial para comprender el proceso rápido de captura de neutrones. o r -proceso, que produce muchos de los elementos pesados ​​del universo.

los r Se cree que el proceso ocurre en condiciones estelares extremas, como fusiones de estrellas de neutrones o supernovas. Estos entornos ricos en neutrones son donde los núcleos pueden crecer rápidamente, capturando neutrones para producir elementos nuevos y más pesados ​​antes de que tengan la oportunidad de desintegrarse.

Este experimento se centró en el isótopo de mercurio ²⁰⁷ Hg. El estudio de ²⁰⁷ Hg podría arrojar luz sobre las propiedades de sus vecinos cercanos, núcleos directamente involucrados en aspectos clave de la r -proceso.

"Una de las preguntas más importantes de este siglo ha sido cómo se formaron los elementos al comienzo del universo, "dijo el físico de Argonne Ben Kay, el científico principal del estudio. "Es difícil investigar porque no podemos simplemente desenterrar una supernova de la tierra, así que tenemos que crear estos ambientes extremos y estudiar las reacciones que ocurren en ellos ".

Estudiar la estructura de ²⁰⁷ Hg, los investigadores utilizaron por primera vez las instalaciones de HIE-ISOLDE en el CERN en Ginebra, Suiza. Se disparó un rayo de protones de alta energía a un objetivo de plomo fundido, con las colisiones resultantes produciendo cientos de isótopos exóticos y radiactivos.

Luego se separaron ²⁰⁶ Hg núcleos de los otros fragmentos y utilizaron el acelerador HIE-ISOLDE del CERN para crear un haz de los núcleos con la energía más alta jamás lograda en esa instalación del acelerador. Luego enfocaron el rayo en un objetivo de deuterio dentro del nuevo Espectrómetro Solenoidal ISOLDE (ISS).

"Ninguna otra instalación puede producir haces de mercurio de esta masa y acelerarlos a estas energías, "dijo Kay." Esto, junto con el extraordinario poder de resolución de la ISS, nos permitió observar el espectro de estados excitados en ²⁰⁷ Hg por primera vez ".

La ISS es un espectrómetro magnético recientemente desarrollado que los físicos nucleares utilizaron para detectar instancias de ²⁰⁶ Núcleos de Hg que capturan un neutrón y se vuelven ²⁰⁷ Hg. El imán de solenoide del espectrómetro es un imán de resonancia magnética superconductor de 4 Tesla reciclado de un hospital en Australia. Fue trasladado al CERN e instalado en ISOLDE, gracias a una colaboración liderada por el Reino Unido entre la Universidad de Liverpool, Universidad de Manchester, Laboratorio Daresbury y colaboradores de KU Leuven en Bélgica.

Deuterio, un isótopo pesado raro de hidrógeno, consta de un protón y un neutrón. Cuando ²⁰⁶ Hg captura un neutrón del objetivo de deuterio, el protón retrocede. Los protones emitidos durante estas reacciones viajan al detector en la ISS, y su energía y posición proporcionan información clave sobre la estructura del núcleo y cómo está unido. Estas propiedades tienen un impacto significativo en la r -proceso, y los resultados pueden informar cálculos importantes en modelos de astrofísica nuclear.

La ISS utiliza un concepto pionero sugerido por el distinguido compañero de Argonne, John Schiffer, que se construyó como el espectrómetro orbital helicoidal del laboratorio. HELIOS:el instrumento que inspiró el desarrollo del espectrómetro ISS. HELIOS ha permitido la exploración de propiedades nucleares que antes eran imposibles de estudiar, pero gracias a HELIOS, se llevan a cabo en Argonne desde 2008. La instalación ISOLDE del CERN puede producir haces de núcleos que complementan los que se pueden hacer en Argonne.

Durante el siglo pasado, Los físicos nucleares han podido recopilar información sobre núcleos a partir del estudio de colisiones en las que haces de iones ligeros golpean objetivos pesados. Sin embargo, cuando los rayos pesados ​​alcanzan objetivos ligeros, la física de la colisión se distorsiona y es más difícil de analizar. El concepto HELIOS de Argonne fue la solución para eliminar esta distorsión.

"Cuando tienes una bala de cañón de un rayo que golpea un objetivo frágil, la cinemática cambia, y los espectros resultantes se comprimen, ", dijo Kay." Pero John Schiffer se dio cuenta de que cuando la colisión ocurre dentro de un imán, los protones emitidos viajan en un patrón en espiral hacia el detector, y por un 'truco' matemático, esto despliega la compresión cinemática, resultando en un espectro sin comprimir que revela la estructura nuclear subyacente ".

Los primeros análisis de los datos del experimento del CERN confirman las predicciones teóricas de los modelos nucleares actuales, y el equipo planea estudiar otros núcleos en la región de ²⁰⁷ Hg utilizando estas nuevas capacidades, dando una visión más profunda de las regiones desconocidas de la física nuclear y la r -proceso.

Los resultados de este estudio se publicaron en un artículo titulado "Primera exploración de la estructura de la capa de neutrones por debajo del plomo y más allá de N =126" el 13 de febrero en el Cartas de revisión física .