Combinando un potente conjunto de instrumentos con conocimientos experimentales, los físicos han detectado por primera vez oxígeno-28, un isótopo de oxígeno que contiene 12 neutrones adicionales en su núcleo. Los científicos llevan mucho tiempo prediciendo que este isótopo es excepcionalmente estable. Pero las primeras observaciones de ²⁸O core sugiere que no es así: se desintegra rápidamente después de su creación, informa un equipo de Naturaleza Hoy¹. Si los resultados pueden reproducirse, es posible que los físicos necesiten actualizar las teorías sobre la estructura de los núcleos atómicos.

Un esperado acelerador listo para explorar los orígenes de los elementos

La fuerza más poderosa del Universo es la que mantiene unidos a los protones y neutrones en el núcleo de un átomo. Para comprender cómo se forjan los elementos, la física de las estrellas de neutrones y más, los científicos necesitan comprender mejor esta poderosa fuerza nuclear, dice Takashi Nakamura, físico del Instituto de Tecnología de Tokio. Él y otros investigadores están probando teorías sobre cómo se mantienen unidos los núcleos atómicos llevándolos a los extremos. Un método popular es cargar núcleos ligeros, como el oxígeno, con un exceso de neutrones y ver qué sucede.

Las teorías actuales afirman que los núcleos atómicos que contienen un cierto número de protones y neutrones son inherentemente estables. Esto se debe a que los protones y neutrones llenan las «capas» del núcleo. Cuando una capa se llena con la cantidad adecuada de protones o neutrones, resulta extremadamente difícil agregar o eliminar partículas. Estos son números «mágicos» y se cree que incluyen 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 partículas. Si un núcleo tiene un número mágico de neutrones y protones, se vuelve “doblemente mágico” y, por tanto, aún más estable.

La forma más abundante de oxígeno, ^dieciséisO, es doblemente mágico, debido a sus ocho protones y ocho neutrones. Desde hace tiempo se predice que el oxígeno-28, con 8 protones y 20 neutrones, también es doblemente mágico. Pero los físicos no habían podido detectarlo antes.

cazadores de fantasmas

Observar ²⁸O requirió varias hazañas experimentales. Los intensos flujos de isótopos radiactivos producidos por la fábrica Riken RI Beam en Wako, Japón, fueron clave para toda la operación. Los científicos dispararon un haz de isótopos de calcio 48 contra un objetivo de berilio, creando un isótopo de flúor 29. El núcleo de este isótopo tiene un protón más que ²⁸O pero el mismo número de neutrones. Luego los científicos rompieron ²⁹F en una gruesa barrera de hidrógeno líquido, expulsando un protón del núcleo y generando ²⁸o.

Esta rara forma de oxígeno tenía una vida útil demasiado corta para poder observarla directamente. En cambio, el equipo detectó sus productos de desintegración: oxígeno-24 más cuatro neutrones, una medición que parecía imposible hace sólo unos años.

Se han medido hasta dos neutrones simultáneamente, pero esta es la primera vez que los científicos detectan cuatro simultáneamente, dice Nakamura. «Son como fantasmas», dice sobre los neutrones. Sin carga eléctrica, los neutrones no se pueden combatir de la misma manera que los protones (²⁴O, con sus ocho protones cargados positivamente, podría introducirse en un detector con imanes). Para observar neutrones individuales, el equipo utilizó un potente detector especialmente diseñado prestado por el Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados ​​en Darmstadt, Alemania, además de instrumentos de Riken. En este detector especializado, los neutrones entrantes se revelan cuando chocan con protones. Nakamura dice que el autor principal del estudio, el físico del Instituto de Tecnología de Tokio, Yosuke Kondo, utilizó simulaciones para ayudar a verificar estas difíciles mediciones.

«Realmente hicieron sus deberes», dice Robert Janssens, físico de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill. “Hicieron todos los controles posibles. Es un tour de force.

Límites atómicos

Aunque el equipo no pudo obtener una medición exacta de la vida útil de ²⁸Oh, Nakamura dice que el isótopo no se comportó como si fuera doblemente mágico: se desmoronó casi tan pronto como nació.

«Me sorprendió», dice. “Personalmente, pensé que era doblemente mágico. Pero eso es lo que dice la naturaleza.

Química extrema: experimentos al borde de la tabla periódica

Esta no es la primera vez que la lista de números mágicos compilada por los físicos nucleares no es universalmente aplicable, dice Rituparna Kanungo, física de la Universidad de Saint Mary en Halifax, Canadá. Formó parte de un equipo de científicos que demostró en 2009 que ²⁴O – a diferencia de las reglas nucleares – tiene un núcleo que se comporta como si fuera doblemente mágico². Sus 8 protones y 16 neutrones están fuertemente unidos entre sí, lo que le confiere una vida útil relativamente larga: tarda unos 61 milisegundos en la mitad del tiempo. ²⁴O desaparece por desintegración radiactiva. Esto significa que en algunos núcleos, si están estrechamente unidos, 16 también podría ser un número mágico.

«Los números mágicos no son inmutables», explica Janssens.

Por ahora, las desconcertantes cualidades de ²⁸O plantea una gran cantidad de preguntas sobre las fuerzas que mantienen unidos los núcleos. Los físicos sueñan con posibles próximos pasos. Nakamura quiere ver si es posible detectar oxígeno 30. Dado que la estabilidad de diferentes isótopos es una medida relativa, sería útil comparar ²⁸Oh, con este vecino cercano, más pesado, pero invisible.

«Es tan simple y tan complicado», dice Janssens. «Aún no sabemos cuántos protones y neutrones se pueden empaquetar en un núcleo» y mantenerlos unidos, añade. “En otras palabras, ¿cuál es el límite?