Unidad de Comunicación

Con el propósito de estudiar la dispersión de partículas alfa con ciertos radioisótopos, algo relevante en la modelización de la producción de elementos pesados -como lo que sucede en las supernovas-, el Dr. Luis Acosta, investigador del departamento de Física Nuclear y Aplicaciones de la Radiación del Instituto de Física, colabora con un grupo internacional conformado por al menos 20 instituciones científicas que han podido realizar mediciones en el Isotope Mass Separator On-Line Facility (ISOLDE), localizado en la Organización Europea para la Investigación Nuclear (European Organization for Nuclear Research, CERN), el laboratorio europeo de física de partículas.

“El experimento consiste en estudiar colisiones elásticas entre haces exóticos y estables con blancos enriquecidos con helio-4, a partir de analizar lo que llamamos dinámica nuclear y obtener con ello potenciales nucleares. El potencial nuclear es algo así como los apellidos de una cierta interacción entre partículas, y te ayuda al predecir cómo se comportará una determinada colisión”, explicó el investigador que tiene entre sus líneas de investigación las reacciones nucleares con núcleos exóticos y el estudio de radioisótopos de interés astrofísico y ambiental.

El proyecto tiene el propósito de estudiar la distribución angular de la dispersión elástica alfa en núcleos exóticos a energías cercanas a la barrera Coulomb, que es una región energética relevante en estudios de dinámica nuclear. Además, la medida se propuso para contribuir al conocimiento escaso de las interacciones entre partículas alfa y núcleos inestables, particularmente en la producción de núcleos ricos en protones.

La medición, que se realizó el pasado mes de octubre de 2022 con el grupo liderado por el Laboratorio de Instrumentación y Física Experimental de Partículas (LIP), de Lisboa, se etiquetó con el nombre IS698. En el experimento se produjeron haces radiactivos de alta intensidad de Sn-108 y Sn-110, los cuales bombardearon blancos de sílice enriquecidos con helio-4.

Para hablar del lugar donde se realizó este experimento, el Dr. Acosta explicó que “ISOLDE es un laboratorio muy particular, porque utiliza un haz "parásito" del Large Hadron Collider (LHC)”, que podría comprenderse como el residuo del LHC, un acelerador de partículas en forma de anillo subterráneo localizado en Ginebra, Suiza, que realiza colisiones entre protones y núcleos pesados a energías muy altas, del orden de TeV. “Los haces se están produciendo en colisionadores pequeños y cada cierto tiempo, en milisegundos o nanosegundos, hay una inyección de un paquete de cierto número de protones. De vez en cuando, en lugar de alimentar el LHC, lo mandas a otro lado”, señaló. En este sentido, ISOLDE es un laboratorio de física nuclear de núcleos exóticos que permite desarrollar la técnica conocida como "Isotope Separation on-line" (ISOL), que consiste en producir una colisión entre un blanco y un haz primario para producir especies exóticas, las cuales son post-aceleradas hacia un blanco secundario. En el caso de ISOLDE, el haz primario son los protones antes mencionados, y la aceleración de las especies exóticas se da en un acelerador lineal (LINAC) que cuenta con diversas líneas experimentales.

Después de 7 días de irradiación continua con distintos haces exóticos, los datos recabados permitirán realizar un análisis para robustecer el estudio de las propiedades nucleares y deducir potenciales nucleares de reacciones con partículas alfa para conocer cómo se generan elementos ricos en protones. “Una vez que el haz se manda, no para. Si medimos en 10 días, por ejemplo, debemos hacerlo en continuo por 24 horas. Hacemos turnos de 2 a 4 personas y estamos así todos los días que dure el experimento”, mencionó el investigador para explicar cómo opera un experimento de este tipo.

El que se haya utilizado un blanco sólido de helio es totalmente innovador, pues estos blancos existen sólo en estado gaseoso. Dado el éxito de la medida, la colaboración propone utilizar este blanco tan peculiar en experimentos futuros, para medir otro tipo de reacciones y obtener más evidencia experimental de las mismas. “Este material es verdaderamente revolucionario para la física nuclear, porque tiene una inyección de 1x1018 partículas/cm2 de helio en su composición, que si pensamos en términos microscópicos es nada, pero es suficiente para poder estudiar reacciones producidas con el He en un blanco sólido”.

De hecho, estos blancos fueron desarrollados en el Instituto de Ciencias de Materiales en Sevilla, España, y caracterizados en el Centro Nacional de Aceleradores, localizado en la misma ciudad española. Además, ya han sido probados con haces de isótopos estables de níquel (Ni-58) en el Laboratori Nazionali del Sud del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, en Italia. “Este experimento es interesante por el blanco, porque es nuevo, algo para nada común”, apuntó.

Para poner en contexto lo que implican los estudios actuales en Física Nuclear, el Dr. Acosta explicó el proceso que siguen las investigaciones desarrolladas en Aceleradores de Partículas: “Los laboratorios para física nuclear se distribuyen en diferentes zonas del globo, cada uno cuenta con rangos de energías específicos y posibilidades particulares. A lo largo del año, dichos laboratorios abren la puerta a la recepción de propuestas experimentales, las cuales son evaluadas por un Proposal Advisory Committee (PAC, por sus siglas en inglés). Si la propuesta cumple con las expectativas científicas pertinentes, ésta se aprueba y se le asigna “tiempo de haz”, para ser realizada”. Algunos ejemplos de laboratorios que cuentan con un PAC para la realización de medidas experimentales son : el Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL), en Caen, Francia; el GSI Helmholtzzentrum Centre for Heavy Ion Research, en Darmstadt, Alemania, o el Facility for Rare Isotope Beams (FRIBS) en la Universidad Estatal de Michigan, en Estados Unidos, por mencionar sólo algunos. “Puede decirse que un físico nuclear está bien afianzado, cuando ha sometido propuestas en varios de ellos”, comentó.

Para hablar de la relevancia de estos estudios en física básica, el Dr. Acosta explicó el contexto reciente, pues en los últimos años se han desarrollado estudios teóricos y experimentales que buscan describir la interacción de partículas alfa con nucleidos pesados en energías relevantes para la astrofísica nuclear. “Alrededor de los años 80, un investigador desarrolló una teoría donde menciona que la creación de elementos muy pesados, por encima del hierro, se produjo por la colisión entre estrellas de neutrones. Fue sólo una predicción, hicieron una descripción detallada desde el punto de vista teórico. Cuando surge el experimento LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), midieron una colisión entre estrellas de neutrones y se dieron cuenta de que las señales que reciben están enteramente relacionadas con lo que predecía la teoría mencionada. Así hay muchas incógnitas en la física nuclear que aporta a la astrofísica y a la cosmología, con lo que se generan mejores predicciones de lo que sucede en el universo,” apuntó. Con ello, mencionó que estos estudios, además de robustecer nuestra comprensión del cosmos, también ayudan a enriquecer la curiosidad humana.

Finalmente, el investigador del Instituto de Física puso en contexto a la física nuclear, una rama del conocimiento que se da a bajas energías y que se encarga de estudiar lo que sucede en el núcleo del átomo. “En la física nuclear, los principales objetivos están enfocados en la astrofísica porque las reacciones se dan en estrellas, en nucleosíntesis primigenia o estelar. Pero también dentro de la nuclear básica es interesante estudiar la estructura nuclear, por qué los núcleos se comportan como lo hacen, cómo se puede apelmazar núcleos muy pesados – como los llamados super heavies- y porqué hay núcleos más exóticos que otros, por mencionar algunos problemas interesantes a resolver”, explicó el Dr. Acosta.