El helio-8 ofrece una visión sobre la teoría nuclear y las estrellas de neutrones

La materia más rica en neutrones que puede fabricarse en la Tierra — el núcleo del átomo de helio-8 — ha sido creado, atrapado y caracterizado por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de los Estados Unidos. Esta nueva medida genera consecuencias significativas en la teoría nuclear y el estudio de las estrellas de neutrones.

Diagrama que ilustra la estructura nuclear de las tres forma de helio


“Este resultado nos ayudará a comprobar las mejores teorías de estructura nuclear que hay disponibles ahora mismo, incluyendo el trabajo de la propia teoría del grupo de la división de Física”, dijo el físico de Argonne Peter Mueller, quien, junto con el estudiante de doctorado Ibrahim Sulai y otros colegas de la división de física, usaron una innovadora trampa láser para confinar átomos individuales de helio-8 durante bastante tiempo como para determinar su distribución de carga eléctrica nuclear, una cantidad que indica cómo los dos protones del átomo y los seis neutrones se ordenan para formar el núcleo.

Al contrario que el helio estable, el cual normalmente tiene dos y ocasionalmente un neutrón que se empaqueta cerrada y simétricamente con dos protones, los isótopos inestables del elemento — helio-6 y helio-8 — tienen neutrones adicionales que forman “halos” alrededor del compacto núcleo central. En 2004, el equipo de Argonne había determinado que los dos neutrones extra del helio-6 se ordenaban simétricamente en uno de los lados del núcleo, a unas pocas billonésimas de milímetro del núcleo.

En su reciente estudio, sin embargo, los investigadores descubrieron que los cuatro neutrones extra del helio-8 se agrupaban de forma distinta al helio-6. Los cuatro neutrones del helio-8 en el halo se ordenaban de una forma menos inclinada alrededor del núcleo, alterando la dinámica del núcleo.

El helio-6 y el helio-8 son radiactivos y decaen rápidamente, complicando los esfuerzos para medir sus propiedades. El helio-8 tiene una vida media de sólo una décima de segundo, lo que significa que el átomo tiene que se medido “on-line,” o inmediatamente después de ser generado, lo cual no es fácil, para empezar. Los científicos requieren de aceleradores de alta potencia para crear incluso una diminuta cantidad de estos átomos.

En este experimento, los científicos de Argonne se unieron a Antonio Villari y sus colegas de la instalación del ciclotrón GANIL en el norte de Francia, una del puñado de instalaciones que podrían generar la suficiente cantidad de helio-8. Aún así, el helio-8 representa una pequeña fracción de los átomos producidos por el ciclotrón, por lo que los científicos necesitan una forma de separar los átomos objetivo del resto de átomos y observar cada átomo de helio-8 lo suficiente para hacer un estudio preciso.

Para hacer esto, los científicos crearon una “trampa de átomos” usando seis rayos láser para contener los átomos de helio-8. Mientras que las otras partículas del rayo pasarían a través de la trampa, aproximadamente una vez cada dos minutos un átomo de helio-8 caía dentro de ella. El rayo láser funcionaba como las barras de una pequeña jaula — si el átomo se movía demasiado hacia un lado, entonces uno de los rayos lo empujaba de nuevo hacia el centro.

Una vez que el átomo quedaba atrapado, los científicos iluminaban otro par de lásers sobre él. Ajustando la frecuencia de este láser, equiparaban la frecuencia resonante del átomo, provocando que brillase lo bastante para que Mueller y sus colegas pudieran decir que lo había recolectado.

Debido a que la frecuencia resonante del átomo depende de su estructura nuclear, cada isótopo de helio brilla en una frecuencia ligeramente distinta. Con la ayuda de la precisión de los cálculos de la teoría atómica proporcionada por el colaborador Gordon Drake de la Universidad de Windsor, Ontario, los investigadores midieron los datos de la frecuencia para revelar la estructura nuclear del helio-8.

Aunqe el equipó llevó a cabo los experimentos en el acelerador en Francia, Argonne enviará pronto una oferta para una nueva instalación que produzca mucha más cantidad de helio-8 y otros isótopos raros, atrayendo a estudiantes y científicos de todo el mundo a Illinois.

La proposición de Instalación para Rayos de Isótopos Raros (FRIB), para la cual Argonne enviará la oferta, podría, por ejemplo, generar más de 1000 veces el número de núcleos de helio inestable de lo que han sido capaces de producir ahora los investigadores en el mismo periodo. “Tener acceso a una instalación como FRIB abriría muchas nuevas posibilidades para la investigación en tipos de materia casi imposible de examinar de otro modo”, dijo Mueller. “Este resultado demuestra que hemos alcanzado una frontera científica, y FRIB nos permitiría expandirnos incluso más allá”.

Un artículo científico sobre este trabajo, “Nuclear Charge Radius of He-8 (Radio de carga nuclear del He-8)”, se publicó en la edición del 21 de diciembre de Physical Review Letters, y fue seleccionada como una “Sugerencia del editor” para promocionar la lectura entre campos.


Autor: Jared Sagoff.
Fecha Original: 25 de enero de 2008
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Comment (1)

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