Estado cuántico de larga duración y misterio en los núcleos radiactivos

Timothy Gray, del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU., dirigió un estudio de física cuántica que puede haber revelado un cambio inesperado en la forma de una núcleo atómico. El sorprendente hallazgo podría afectar nuestra comprensión de lo que mantiene unidos a los núcleos, cómo interactúan los protones y los neutrones y cómo se forman los elementos.

Un haz de núcleos de sodio-32 excitados se implanta en el iniciador de la estación de desintegración FRIB, que detecta firmas de desintegración de isótopos. Crédito de la imagen: Gary Hollenhead, Toby King y Adam Malin/ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

«Usamos haces radiactivos de núcleos excitados de sodio-32 para poner a prueba nuestra comprensión de las formas nucleares alejadas de la estabilidad y encontramos un resultado inesperado que plantea preguntas sobre cómo evolucionan las formas nucleares», dijo Gray, un físico nuclear. Los resultados son publicado en Cartas de revisión física.

Las formas y energías de los núcleos atómicos pueden cambiar con el tiempo entre diferentes configuraciones. Normalmente, los núcleos viven como entidades cuánticas que tienen formas esféricas o deformadas. Los primeros parecen pelotas de baloncesto y los segundos se parecen a pelotas de fútbol americano.

Cómo se relacionan las formas cuánticas y los niveles de energía es una importante pregunta abierta para la comunidad científica. Los modelos de estructura nuclear tienen problemas para extrapolarse a regiones con pocos datos experimentales.

Para algunos núcleos radiactivos exóticos, las formas predichas por los modelos cuánticos tradicionales son opuestas a las observadas. Los núcleos radiactivos que se esperaba que fueran esféricos en sus estados fundamentales, o configuraciones de menor energía, resultaron estar deformados.

¿Qué puede poner patas arriba un estado cuántico?

En principio, la energía de un estado deformado cuántico excitado puede caer por debajo de la de un estado fundamental esférico, haciendo que la forma esférica sea la de alta energía.

Inesperadamente, esta inversión de roles cuánticos parece estar ocurriendo en algunos núcleos exóticos cuando la proporción natural de neutrones y protones se desequilibra. Sin embargo, nunca se han encontrado los estados esféricos excitados posteriores a la inversión. Es como si una vez que el estado fundamental se deformara, todos los estados excitados también lo hicieran.

Existen muchos ejemplos de núcleos con estados fundamentales esféricos y estados excitados deformados. De manera similar, muchos núcleos tienen estados fundamentales cuánticos deformados y estados excitados posteriores que también están deformados, a veces con diferentes cantidades o tipos de deformación. Sin embargo, los núcleos con estados fundamentales deformados y estados excitados esféricos son mucho más esquivos.

Utilizando datos recopilados en 2022 del primer experimento en el Instalación para haces de isótopos raros, o FRIB, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en la Universidad Estatal de Michigan, el equipo de Gray descubrió un estado excitado de larga duración de sodio-32 radiactivo. El estado excitado recientemente observado tiene una vida útil inusualmente larga de 24 microsegundos, aproximadamente un millón de veces más que un estado excitado nuclear típico.

Los estados cuánticos excitados de larga duración se denominan isómeros. Una vida larga indica que algo inesperado está sucediendo. Por ejemplo, si el estado excitado es esférico, la dificultad para regresar a un estado fundamental cuántico deformado podría explicar su larga vida.

En el estudio participaron 66 participantes de 20 universidades y laboratorios nacionales. Los investigadores co-principales provinieron del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley, la Universidad Estatal de Florida, la Universidad Estatal de Mississippi, la Universidad de Tennessee, Knoxville y ORNL.

El Experimento de 2022 que generó los datos utilizado para el resultado de 2023 empleó el Iniciador de la estación de desintegración FRIBo FDSi, un sistema multidetector modular que es extremadamente sensible a firmas de desintegración de isótopos poco comunes.

«La versátil combinación de detectores de FDSi muestra que el estado excitado de larga duración del sodio-32 se entrega dentro del haz FRIB y que luego se desintegra internamente emitiendo rayos gamma al estado fundamental del mismo núcleo», dijo Mitch Allmond de ORNL, un coautor del artículo que gestiona el proyecto FDSi.

Para detener el haz radiactivo de alta energía de FRIB, que viaja a aproximadamente el 50% de la velocidad de la luz, se colocó en el centro de FDSi un detector de implantación construido por UT Knoxville.

Al norte de la línea del haz había un conjunto de detectores de rayos gamma llamado DEGAi, que comprendía 11 detectores estilo trébol de germanio y 15 detectores de bromuro de lantano de sincronización rápida. Al sur de la línea del haz se encontraban 88 módulos de un detector llamado NEXTi para medir el tiempo de vuelo de los neutrones emitidos en la desintegración radiactiva.

Un haz de núcleos excitados de sodio-32 se detuvo en el detector y descompuso hasta el estado fundamental deformado mediante la emisión de rayos gamma. El análisis de los espectros de rayos gamma para discernir la diferencia de tiempo entre la implantación del haz y la emisión de rayos gamma reveló cuánto tiempo existió el estado excitado.

La existencia de 24 microsegundos del nuevo isómero fue la vida más larga observada entre los isómeros con 20 a 28 neutrones que se desintegran por emisión de rayos gamma. Se observó que aproximadamente el 1,8% de los núcleos de sodio-32 eran el nuevo isómero.

«Podemos encontrar dos modelos diferentes que expliquen igualmente bien las energías y la vida útil que hemos observado en el experimento», dijo Gray.

Se necesita un experimento con mayor potencia del haz para determinar si el estado excitado en el sodio-32 es esférico. Si es así, entonces el estado tendría seis unidades cuantificadas de momento angular, que es una cualidad de un núcleo relacionada con la rotación de todo su cuerpo o el movimiento orbital de sus protones y/o neutrones individuales alrededor del centro de masa.

Sin embargo, si el estado excitado en el sodio-32 se deforma, entonces el estado tendría cero unidades cuantificadas de momento angular.

Una actualización planificada a FRIB proporcionará más energía, aumentando la cantidad de núcleos en el haz. Los datos del haz más intenso permitirán un experimento que distinga entre las dos posibilidades.

«Caracterizaríamos las correlaciones entre los ángulos de dos rayos gamma que se emiten en cascada», dijo Gray. “Las dos posibilidades tienen correlaciones angulares muy diferentes entre los rayos gamma. Si tenemos suficientes estadísticas, podríamos desentrañar el patrón que revela una respuesta clara”.

El título del artículo es «Isómero de microsegundos en la isla N=20 de inversión de forma observada en FRIB».

La Oficina de Ciencias del DOE apoyó el trabajo.

UT-Battelle administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE, el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos. La Oficina de Ciencias está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

Fuente: Laboratorio Nacional de Oak Ridge