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Hallan potasio 31, una variante exótica que desafía a la física nuclear

David Salcedo
14/nov/2019

El investigador del Instituto de Física, Luis Armando Acosta Sánchez, colaboró en un grupo de investigación internacional que encontró una variante exótica del potasio, la cual representa un desafío para los límites de la estructura nuclear.

Su trabajo, titulado ‘Hacia los límites de la existencia de la estructura nuclear: observación y primera espectroscopía del isótopo 31K midiendo su descomposición en tres protones’, fue publicado en la revista Physical Review Letters en agosto de este año, y más tarde seleccionado como Research Highlights por la revista Nature.

Los modelos teóricos de mecánica cuántica han propuesto un límite específico de estabilidad medible para cada elemento existente (conocido como “línea de goteo”); esta línea de goteo establece el límite entre el amalgamiento, lo que hace que permanezcan unidos los neutrones y protones en el núcleo de cada átomo, y el momento en el que los núcleos atómicos se desintegran por la emisión de un protón o neutrón, es decir, cuando dejan de ser estables.

Lo que predecía la estructura nuclear teórica para el potasio es que su límite estaba en los 19 protones y 8 neutrones. Pero esta nueva variante, conocida como potasio 31, se distingue por tener 19 protones y 12 neutrones, es decir, cuatro neutrones más allá de su límite.

“Cuando vimos que puede existir este elemento, con un tiempo de vida de más de 5 billonésimas de segundo, pensamos que entonces no son tan ciertos los límites que había puesto la teoría para el pegamento del núcleo, que podemos ir más allá”, dijo Luis Acosta a Noticias IFUNAM.

Con este experimento, en el que participaron especialistas de Alemania, Francia, España, Rusia y México, se demostró que el potasio puede ser estable durante un tiempo medible con una vida que rebasa el límite predicho por la teoría conocida.

“Es importante este experimento porque está poniendo en entredicho las cotas establecidas por la mecánica nuclear, la parte que establece los límites para el amalgamiento masivo”, explicó Acosta.

Luis Acosta midiendo los haces de partículas.

Explorando lo inexplorado

“Esta historia comenzó en 2006, cuando hacía mi tesis de doctorado en España, en la ciudad de Huelva", recuerda Luis Acosta. "El investigador ruso Iván Mukha, el especialista que lideró la investigación, hizo una propuesta experimental para realizar el llamado GSI (Centro de Investigación de Iones Pesados, en español), en Alemania, para medir magnesio 19”, recuerda Acosta.

En este nuevo experimento, Acosta y sus colegas se propusieron medir, entre otros núcleos radiactivos, el potasio 31 (31K), el cual no existe de manera natural, pero podría crearse a partir de reacciones nucleares en aceleradores, emulando los procesos que ocurren en el interior de las estrellas.

Debido a que la semivida de uno de estos núcleos es muy corta, medirla resulta muy complicado, sin embargo, gracias a los avances tecnológicos en detección simultanea de la desintegración de estos núcleos, el grupo internacional demostró que sí es posible hacer una medida.

El particular choque

Para encontrar el potasio 31, los investigadores tuvieron que analizar cómo decaen las partículas cuando éstas colisionan, muy similar a lo que hacen en el Gran Colisionador de Hadrones, en Suiza.

La clave está en producir partículas de un cierto núcleo, ionizarlas y acelerarlas hasta que colisionen con un blanco primario, este choque produce especies exóticas, que posteriormente colisionarán con un blanco secundario.

"Les damos una carga y aplicamos un potencial de voltaje, cuando eso sucede se empiezan a mover y acelerar, luego con elementos ópticos las vamos dirigiendo", explica Acosta. "Las aceleramos hasta una determinada energía, y las hacemos colisionar con un blanco primario para generar la fragmentación: en este caso, un haz de 36Ar, colisiona con un blanco primario de determinado material para fragmentarse y producir 31Ar el cual finalmente colisiona con un blanco de 9Be, para producir un coctel de diferentes especies de núcleos, entre los que se encuentra el 31K".

Acosta compara la colisión con una máquina de pelotas de tenis apuntando a una pared delgada. Si las pelotas se lanzan con la suficiente energía, se romperán, generando pelotas más chicas (nuevos núcleos). Los nuevos productos que consigan atravesar la pared, se combinan con los componentes de ésta para formar núcleos inestables que existirán sólo por instantes breves de tiempo, lo suficiente para ser medidos.

“Las pelotas son las partículas que van a chocar una y otra vez en chorros de miles de millones de partículas, y de todos esos choques hay uno muy particular que encontramos, en el que se producen 3 protones y un núcleo de argón 28, que solo pudo haber venido del potasio 31, es un caso único”, explica Acosta.

Es como si las pelotas de tenis, al tocarse entre ellas a esa energía tan grande, se fusionaran por unas fracciones ínfimas de segundos, para luego volver a separarse. Es esa fusión-desintegración, lo que los investigadores identificaron como el potasio 31.

En el experimento, Acosta se encargó de caracterizar en instalar los detectores para poder reconstruir las trayectorias de las partículas. “Mi participación consistió en montar y acondicionar el sistema de tracking, que quiere decir construir un arreglo de detectores de silicio micro-segmentados de modo que se forme un apilamiento de éstos”.

“Así, las partículas viajan a través de los detectores, dejando información acerca de su posición, la cual puede ser medida con alta precisión, gracias a la segmentación de los distintos detectores, donde se generan micro-ventanas de detección del orden de centenas de micrómetros cuadrados”, detalló.

Parte del equipo de investigadores, revisando la máquina para medir el tiempo de vida del potasio 31.

Un nuevo camino hacia el misterio

En su sección de Investigaciones Destacadas (o Research Highlights), la revista Nature señaló los resultados de esta investigación, resaltando “que el isótopo de potasio sobrevive más de lo previsto por la teoría”.

Y en efecto, de acuerdo con el especialista del IFUNAM, los resultados ponen en entredicho las cotas de la física nuclear, que establecen los límites de la línea de goteo para el potasio.

“Cuando descubres que este elemento tiene una vida de más de 5 billonésimas de segundo, cuando lo ves, dices ‘si éste puede existir, quiere decir que puedes aumentar el umbral y las aproximaciones que han hecho los teóricos”, afirma.

“Y si puede existir la variante exótica de 4 neutrones, puede existir el de 7 neutrones, y ese es el próximo experimento, lo que se va a proponer es buscar esos elementos que están en esta línea, que no existen, por ejemplo, dentro del potasio o el selenio, porque te empiezas a preguntar qué pasa más allá de séptimo”, concluyó el investigador.

Parte del detector en el Centro de Investigación de Iones Pesados, en Alemania, armado con la ayuda del investigador del IFUNAM, Luis Acosta.