Figura que muestra el patrón asombroso par-impar en los tamaños de los núcleos de isótopos de cobre observados por los investigadores. Crédito:de Groote et al.
Investigadores del Instituut voor Kern- en Stralingsfysica en Bélgica y la Universidad de Manchester, en colaboración con otros institutos de todo el mundo, He realizado recientemente un estudio destinado a medir el tamaño del núcleo (es decir, radio de carga nuclear) en isótopos de cobre ricos en neutrones. Su papel publicado en Física de la naturaleza , presenta observaciones de un patrón asombroso impar-par distintivo e interesante en los tamaños de los núcleos de estos isótopos.
"El efecto asombroso de pares pares e impares que observamos, donde el núcleo con un número impar de neutrones suele ser un poco más pequeño que sus vecinos de neutrones pares, es más o menos constante en la mayoría de las cadenas isotópicas, "Ruben Pieter de Groote, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En cobre, sin embargo, notamos un escalonamiento par-impar mejorado para los isótopos con aproximadamente 40 neutrones, que luego pareció desvanecerse al acercarse a 50 neutrones ".
Obtener una comprensión profunda del patrón asombroso de pares pares e impares observado por de Groote y sus colegas está lejos de ser una búsqueda fácil, complicado aún más por el hecho de que se encontró que este patrón es dependiente de neutrones, lo cual fue algo inesperado. Para explorar las posibles razones detrás del efecto que observaron, los investigadores realizaron una serie de cálculos de vanguardia basados en la teoría nuclear y luego compararon los resultados de estos cálculos con los datos experimentales que recopilaron.
"El isótopo más difícil de realizar mediciones, 78 Cu, tiene 29 protones y 49 neutrones, lo que lo convierte en un núcleo muy complicado de estudiar, tanto experimental como computacionalmente, "dijo de Groote." Sin embargo, Sentimos que nuestro resultado experimental era lo suficientemente importante como para convencer a dos colaboradores de la teoría de que siguieran dos métodos teóricos bastante diferentes, uno basado en funcionales de densidad y el otro basado en el método de grupo de renormalización de similitud en el espacio de valencia en el medio, que presenta una descripción 'ab-initio' para núcleos de peso medio ".
Los dos enfoques teóricos que los investigadores utilizaron en su estudio resultaron útiles para explicar diferentes aspectos de las mediciones que recopilaron. Si bien los cálculos basados en la teoría funcional de la densidad predijeron las propiedades a granel (por ejemplo, los tamaños nucleares totales) con una precisión notablemente alta, el método basado en la teoría de grupos de renormalización de similitud en el espacio de valencia en el medio proporcionó una descripción detallada de la tendencia general para el efecto de asombro impar-par, ya que tuvo en cuenta correlaciones adicionales.
"Nuestros cálculos mostraron que ambas teorías contienen ingredientes esenciales para describir la estructura nuclear, pero que todavía hay trabajo por hacer, todavía no tenemos un enfoque único que pueda hacerlo todo, "explicó de Groote.
En su estudio reciente, los investigadores se centraron en isótopos de cobre con vidas muy cortas. Por ejemplo, la vida de 78 Cu, uno de los isótopos examinados en su trabajo, es de 300 milisegundos, lo que significa que un segundo después de su producción, lo más probable es que el isótopo ya haya desaparecido. Por lo tanto, tuvieron que utilizar técnicas que les permitieran producir y examinar isótopos muy rápidamente, antes de que decayeran.
"Lo que es muy importante cuando se estudian isótopos radiactivos es que los métodos son rápidos y eficientes; no hay tiempo para recolectar una gran muestra de isótopos, para luego estudiarlos en silencio más tarde, ", dijo de Groote." Las mediciones deben realizarse 'en línea'; Nuestras herramientas de medición y detectores deben acoplarse al sitio de producción y trabajar en perfecta sincronía ".
De Groote y sus colegas utilizaron un acelerador de partículas conocido como CERN PS-Booster, que puede producir protones con una energía muy alta. Estos protones se dirigieron a las instalaciones de ISOLDE en el CERN, donde impactaron sobre una pieza de uranio, induciendo una variedad de reacciones nucleares diferentes.
Las reacciones nucleares resultantes de este proceso llevaron a la producción de isótopos en todo el espectro, que van desde átomos de helio ligeros hasta elementos muy pesados, como el radio. Los isótopos de cobre que los investigadores se propusieron estudiar estaban entre estos, pero tuvieron que extraerse de la amplia gama de isótopos y purificarse.
"El equipo de ISOLDE calentó el uranio a unos 2000 grados Celsius, para que estos isótopos recién producidos no se queden, pero en cambio escapó a una fuente de iones:aquí, se convirtieron en iones cargados, ", explicó de Groote." Este es un paso crucial, ya que nos permite utilizar técnicas electrostáticas y magnéticas para acelerar todos los isótopos, seleccione los que le interesen, y guiarlos a diferentes configuraciones de medición en las instalaciones de ISOLDE ".
Para medir el tamaño de los isótopos de cobre, los investigadores los iluminaron con dos rayos láser separados. Sintonizando la frecuencia del primer láser exactamente de la manera correcta, pudieron excitar un electrón que está unido al núcleo. A continuación, se utilizó el segundo rayo láser para "pelar" este electrón excitado.
"Al medir el número de partículas cargadas creadas a medida que cambiamos la frecuencia del láser, podríamos determinar la energía de absorción exacta de los átomos de cobre, ", dijo de Groote." Esta energía de absorción está directamente relacionada con los tamaños nucleares; el cambio de energía se llama cambio de isótopos, un pequeño cambio de color de tan solo 1 parte en un millón; nada que el ojo pueda ver, pero algo a lo que nuestro sistema es sensible ".
La técnica de medición utilizada por de Groote y sus colegas, conocida como espectroscopia de ionización por resonancia colineal, es una herramienta altamente eficiente y precisa para medir cambios de energía en átomos. Su configuración experimental es muy sofisticada, y se basa en todos sus diferentes componentes (es decir, un acelerador de partículas grandes, sistemas láser ultraestables, herramientas de medición de frecuencia láser de alta precisión, trampas de iones, bombas de vacío ultra alto y fuentes de alimentación de alto voltaje, etc.) para operar en sinfonía.
En su estudio, los investigadores lo utilizaron para identificar "cambios de isótopos" en 14 isótopos de cobre diferentes. La medición de estos cambios finalmente les permitió determinar cambios en su tamaño, en función del número de neutrones dentro de su núcleo.
"El isótopo más desafiante solo se produjo a una velocidad de 20 iones por segundo, y en total solo unos 200, Se utilizaron 000 iones para realizar la medición, ", dijo de Groote." La masa total de esta muestra, si pudieras recolectarlo todo antes de que se desintegrara radiactivamente, sería 0.00000000003 microgramos, en comparación con los objetos típicos con los que estamos acostumbrados a interactuar, esta es una cantidad increíblemente pequeña de cosas ".
La técnica empleada por de Groote y sus colegas permite a los investigadores estudiar isótopos que actualmente solo se pueden producir en pequeñas cantidades y también es mucho más eficiente que otras herramientas de medición de alta precisión desarrolladas en el pasado. En el futuro, su método podría tener una serie de implicaciones importantes para la investigación de la estructura nuclear, ya que muchos isótopos interesantes son inestables y, por lo tanto, solo pueden producirse en pequeñas cantidades.
"Nuestros resultados muestran que muchos de estos núcleos ahora se pueden estudiar, ", dice de Groote." Las mejoras adicionales de nuestro método empujarán ese límite aún más. En particular, Nuestra técnica nos permite ahora acercarnos a núcleos que se prevé que se produzcan en super y kilonovas y que aún no se han estudiado en la Tierra en el laboratorio. Similar, las herramientas teóricas que se desarrollaron representan también hitos importantes en la teoría nuclear ".
Además de introducir una nueva técnica para medir el tamaño de los núcleos en isótopos con una vida útil corta, de Groote y sus colegas demostraron la efectividad de las construcciones teóricas basadas en funcionales de densidad y el método de grupo de renormalización de similitud en el espacio de valencia en el medio para estudios que exploran la estructura de isótopos con núcleos inestables. Su estudio arroja algo de luz sobre las ventajas y desventajas de estos marcos teóricos, que podría explorarse más a fondo en estudios futuros.
"Para el presente estudio, recogimos cobre, ya que tiene 29 protones, "de Groote". Esto hace que estos isótopos sean sondas perfectas para investigar el núcleo de níquel (28 protones) subyacente. 78 Ni (28 protones, 50 neutrones) se cree que es un núcleo doblemente mágico. Hay muy pocos de estos doblemente mágicos, sistemas de carcasa cerrada, y forman piedras angulares para la investigación de estructuras nucleares, como los gases nobles para la física atómica ".
De Groote y sus colegas están trabajando actualmente en un nuevo estudio centrado en isótopos de potasio ricos en neutrones, que tienen 19 protones y, por lo tanto, son excelentes sondas de isótopos mágicos de calcio (es decir, con 20 protones). Ya han realizado cálculos iniciales de los radios de carga de estos isótopos y ahora planean investigar estos resultados con mayor profundidad.
"A largo plazo, una campaña de medición de isótopos de indio y estaño, cerca de la doble magia 100 Sn y 132 Isótopos de Sn, ya fue iniciado, y será perseguido en los próximos años, ", dice de Groote." Estos isótopos están en la frontera actual de las teorías nucleares; Por tanto, los esfuerzos experimentales y teóricos progresan a la par ".
De Groote y sus colegas también han comenzado a utilizar el mismo método experimental presentado en su artículo reciente para estudiar moléculas radiactivas. Por ejemplo, Recientemente completaron el primer estudio espectroscópico de fluoruro de radio, una molécula que contiene un átomo de radio radiactivo.
"Dado que no hay isótopos de radio estables, esta molécula nunca pudo ser estudiada antes, ", explicó de Groote." Esto es particularmente emocionante, ya que puede ser la clave para la próxima generación de investigación para la física más allá del modelo estándar ".
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