Vea También
¿Cómo se construyen los elementos químicos, los bloques de nuestro universo? Esta pregunta ha estado en el centro de la física nuclear durante casi un siglo.
A principios del siglo XX, los científicos descubrieron que los elementos tienen un núcleo o nucléolo. Estos núcleos están formados por un número diferente de protones y neutrones.
En la actualidad, los científicos de la Instalación de Rayos de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan han construido y probado un dispositivo que proporcionará información fundamental sobre los elementos pesados o con un número muy elevado de protones y neutrones. El Laboratorio Nacional Argonne del Ministerio de Energía (DOE) encabezó este esfuerzo.
Kay y su equipo completaron su primer experimento con el dispositivo, llamado SOLARIS, que significa Aparato Espectrómetro Solenoide para Estudios de Reacción. Los experimentos previstos revelarán información sobre las reacciones nucleares que crean algunos de los elementos más pesados de nuestro mundo, desde el hierro hasta el uranio.
También están previstos experimentos con isótopos exóticos. Los isótopos son elementos que comparten el mismo número de protones pero tienen un número diferente de neutrones. Los científicos llaman exóticos a ciertos isótopos porque su relación protón-neutrón difiere de la de los isótopos generalmente estables o de larga vida que se dan de forma natural en la Tierra. Algunos de estos isótopos inestables desempeñan un papel esencial en los acontecimientos astronómicos.
"La explosión de estrellas, la fusión de estrellas gigantes colapsadas, ahora estamos aprendiendo los entresijos de las reacciones nucleares en el corazón de estos eventos", dijo Kay. "Con SOLARIS, somos capaces de recrear estas reacciones aquí en la Tierra para verlas por nosotros mismos".
El nuevo dispositivo sigue los pasos de HELIOS, el espectrómetro de órbita helicoidal, en Argonne. Ambos utilizan imanes superconductores reutilizados del mismo modo que una máquina de resonancia magnética (MRI) como la que se encuentra en los hospitales. En ambos casos, se dispara un haz de partículas hacia un material objetivo dentro de una cámara de vacío. Cuando las partículas chocan con el objetivo, se producen reacciones de transferencia. En estas reacciones, se eliminan o se añaden neutrones o protones de los núcleos, dependiendo de las partículas y sus energías, utilizadas en la colisión.
"Al registrar la energía y el ángulo de las diferentes partículas liberadas o desviadas por las colisiones, podemos reunir información sobre la estructura de los núcleos de estos isótopos", dijo Kay. "El innovador diseño de SOLARIS proporciona la resolución necesaria para mejorar nuestra comprensión de estos núcleos exóticos".
Lo que hace que SOLARIS sea realmente único es que puede funcionar como un espectrómetro de modo dual, lo que significa que puede realizar mediciones con haces de alta o muy baja intensidad. "SOLARIS puede funcionar en ambos modos", explicó Kay. "Por un lado, utilizamos un conjunto de detectores tradicionales de silicio en el vacío; por otro, empleamos la nueva lente llena de gas de la cámara de proyección temporal ActiveTarget de Michigan, dirigida por Daniel Bazin, miembro del equipo de SOLARIS y físico principal del FRIB. Este primer experimento probó el ATTPC. Se requiere una gran precisión.
El ATTPC es esencialmente una gran cámara llena de un gas que sirve tanto de objetivo para el haz como de medio de detección. Objetivo sólido.
"Al llenar la cámara de gas, se garantiza que las partículas más pequeñas y más grandes que el haz de baja intensidad entren en contacto con el material objetivo", dijo Kay. De este modo, los científicos pueden estudiar los productos de
El experimento, dirigido por la investigadora asociada del FRIB Clementine Santamaria, examinó la descomposición del oxígeno16 (el isótopo de oxígeno más común en nuestro planeta) en partículas alfa mucho más pequeñas. Concretamente, los ocho protones y los ocho neutrones del núcleo de oxígeno16 se descomponen en un total de cuatro partículas alfa, cada una de ellas formada por dos protones y dos neutrones.
"Al determinar cómo decae el oxígeno16 de esta manera, se pueden hacer comparaciones con la del "estado Hoyle", un estado excitado de un isótopo del carbono que creemos que desempeña un papel clave en la producción de carbono en las estrellas", explicó. Kay.
Kay y su equipo registraron más de dos millones de reacciones durante este experimento y observaron varios casos de desintegración del oxígeno16 en partículas alfa.
La doble funcionalidad de SOLARIS permitirá realizar una gama de experimentos de reacción nuclear más amplia que nunca y proporcionará a los científicos nuevas perspectivas sobre algunos de los mayores misterios del cosmos.
Fuentes, créditos y referencias:
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
Imagen: Una vista interior de SOLARIS y el acelerador y los detectores en la parte trasera. Crédito: Argonne National Laboratory