Consiguen por primera vez la descripción común para reacciones nucleares de núcleos estables y radiactivos

Investigadores del departamento de Física Atómica Molecular y Nuclear (FAMN) de la Universidad de Sevilla han logrado por primera vez establecer una descripción común tanto para reacciones de núcleos estables como radiactivos (exóticos). El hallazgo, que aúna las teorías en esta área del último siglo, permitirá avanzar en un mejor entendimiento del origen de toda la materia conocida en el universo.

El núcleo atómico concentra más del 99,99% de la masa de un átomo y, por tanto, da forma a dicha materia. El número de protones (Z) de un núcleo, determina el elemento químico. Cada elemento tiene uno o varios isótopos (con mismo Z y diferente número de neutrones (N)). Solo hay ciertas combinaciones de neutrones y protones que forman núcleos estables. A día de hoy, se conocen del orden de 3.000 núcleos, de los cuales alrededor de 300 son estables.

Átomos y sus electrones.

Los isótopos que no son estables se conocen como radioisótopos (o radiactivos). Para un determinado número de protones, demasiados o escasos neutrones producen inestabilidad nuclear y la consecuente desintegración radiactiva. Los llamados núcleos exóticos se caracterizan por una gran desproporción entre el número de protones y neutrones, hecho que les confiere un carácter radiactivo, con vidas medias que pueden llegar a varios órdenes de magnitud por debajo del segundo.

A diferencia de los núcleos estables, los radiactivos se desintegran emitiendo energía nuclear en forma de partículas o radiación electromagnética. La radiactividad se basa en el principio de Einstein, según el cual las reacciones nucleares determinan la transformación de masa en energía nuclear, que, a su vez, consiste en la mayor manifestación de fuerza conocida en el universo. Toda la materia conocida en el universo tiene origen en las reacciones nucleares. Desde el Big Bang, con la síntesis de los núcleos más ligeros, hasta la formación, evolución y muerte de las estrellas, con la síntesis de los núcleos más pesados en las supernovas, todo está condicionado por las reacciones nucleares.

En este escenario, los núcleos exóticos desempeñan funciones importantes en la formación de elementos más pesados que el hierro. Así, las reacciones nucleares son cruciales para entender la tasa de producción y abundancia de los elementos en el cosmos y la evolución de los cuerpos estelares. Desde 1919, cuando Rutherford midió la primera reacción nuclear, y 1954, cuando Feshbach y sus colaboradores propusieron el modelo óptico como una alternativa para describirlas, físicos de todo el mundo buscan una descripción matemática única para las reacciones nucleares. La dinámica de cualquier reacción nuclear depende de la estructura de los núcleos, que varía drásticamente entre estables y exóticos, y de la energía de la colisión. Por ello, describir reacciones nucleares, con el mismo enfoque teórico, representa uno de los mayores desafíos de la Física Nuclear.

Relevancia del estudio 

En el trabajo Systematic calculations of reactions with exotic and stable nuclei to establish an unified theoretical approach, publicado en la revista Physical Review C, de la American Physical Society, los investigadores de la US han logrado aunar el conocimiento de un siglo en el área, en una definición única del modelo óptico de Feshbach. Los cálculos de modelo óptico son, además, corroborados por cálculos más complejos, donde los autores discretizan el llamado continuo de energía de los núcleos.

Los nucleones (como son llamados los protones y neutrones) se encuentran en estados energéticos discretos, según determina la Mecánica Cuántica, en el interior nuclear. En las reacciones nucleares, que pueden llevar a la ruptura de los núcleos en colisión, dichos nucleones abandonan estos estados discretos (ligados) y pasan a los llamados estados del continuo de energía (no ligados). Así, los investigadores de la US incluyen de manera explícita en sus cálculos el acoplamiento a los estados de ruptura en la dinámica de la interacción nuclear y, con ello, han logrado una descripción común y sin precedentes tanto para reacciones de núcleos estables como exóticos.

La investigación tiene el apoyo de los Fondos Europeos de Desarrollo Regional (FEDER); el Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España, a través del proyecto PGC2018-096994-B-C21; el Proyecto Nº FIS2017-88410-P del Ministerio de Economía y Competitividad de España; el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, bajo el Acuerdo de Subvención Nº 654002 y de los fondos del SID 2019 (Investimento Strategico di Dipartimento, Università degli Studi di Padova, Italia) bajo el proyecto No. CASA_SID19_01.

Referencia bibliográfica:

Systematic calculations of reactions with exotic and stable nuclei to establish a unified theoretical approach; M. A. G. Alvarez, M. Rodríguez-Gallardo, J. P. Fernández-García, J. Casal, and J. A. Lay; Phys. Rev. C 103, 054614 – 24 May 2021