Tierra a la vista - Experimentos del GSI/FAIR revelan la costa de la isla de estabilidad de los elementos superpesados
Un equipo de investigadores del GSI/FAIR, la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y el Instituto Helmholtz de Maguncia ha logrado explorar con mayor precisión los límites de la llamada isla de estabilidad dentro de los nucleidos superpesados midiendo el núcleo superpesado de rutherfordium-252, que es ahora el núcleo superpesado conocido de vida más corta. Los resultados se publicaron en la revista "Physical Review Letters" y se destacaron como "Sugerencia del editor".
El Rf-252, con una vida media de 60 nanosegundos, fue producido y guiado hasta el sistema de detección gracias a un estado isomérico -que revolotea en la "nube de estabilidad"- con una vida media de 13 microsegundos, más de 200 veces superior a la del estado molido.
AI-generated image; Pavol Mosat and Khuyagbaatar Jadambaa
La fuerza fuerte garantiza la cohesión de los núcleos atómicos formados por protones y neutrones. Sin embargo, como los protones cargados positivamente se repelen entre sí, los núcleos con demasiados protones corren el riesgo de dividirse, lo que supone un reto en la producción de nuevos elementos superpesados. Ciertas combinaciones de protones y neutrones, los llamados "números mágicos", confieren a los núcleos una estabilidad adicional. Si se tienen en cuenta estas combinaciones mágicas, los trabajos teóricos que se remontan a la década de 1960 predicen una isla de estabilidad en el mar de núcleos superpesados inestables, donde podrían alcanzarse tiempos de vida muy largos, incluso cercanos a la edad de la Tierra.
El concepto de esta isla se ha confirmado desde entonces, con la observación de vidas medias crecientes en los núcleos más pesados conocidos actualmente a medida que se aproxima el próximo número mágico previsto de 184 neutrones. Sin embargo, aún se desconoce la ubicación del pico de esta isla, su altura (que refleja la vida media máxima prevista) y también la extensión de la isla. Investigadores del GSI/FAIR de Darmstadt, la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU) y el Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM) han dado un paso más hacia la cartografía de esta isla, al descubrir el núcleo superpesado de vida más corta conocido hasta ahora, que marca la posición de la costa de la isla en núcleos de rutherfordio (Rf, elemento 104).
Para permitir la detección experimental, la vida mínima de los núcleos superpesados es del orden de una millonésima de segundo, lo que hace inaccesibles los núcleos superpesados de vida extremadamente corta en las proximidades del mar de inestabilidad. Pero hay un truco: a veces, los estados excitados, estabilizados por efectos cuánticos, muestran tiempos de vida más largos y abren una puerta a los núcleos de vida corta. "Tales estados excitados de larga vida, los llamados isómeros, están muy extendidos en los núcleos superpesados de forma deformada según mis cálculos", afirma el Dr. Khuyagbaatar Jadambaa, primer autor de la publicación del departamento de investigación de química de elementos superpesados del GSI/FAIR. "Así, enriquecen la imagen de la isla de estabilidad con 'nubes de estabilidad' que se ciernen sobre el mar de inestabilidad".
El equipo de investigadores de Darmstadt y Maguncia logró examinar estas predicciones mediante la búsqueda del núcleo Rf-252, hasta ahora desconocido. Los investigadores utilizaron un intenso haz de titanio-50 disponible en el acelerador UNILAC del GSI/FAIR para fusionar núcleos de titanio con núcleos de plomo suministrados en una lámina objetivo. Los productos de la fusión se separaron en el Aparato Químico y Separador de TransActínidos TASCA. Se implantaron en un detector de silicio tras un tiempo de vuelo de unos 0,6 microsegundos. Este detector registró su implantación así como su posterior desintegración.
En total, se detectaron 27 átomos de Rf-252 que decaían por fisión con una vida media de 13 microsegundos. Gracias al rápido sistema digital de adquisición de datos desarrollado por el departamento de Electrónica de Experimentos del GSI/FAIR, se detectaron los electrones emitidos tras la implantación del isómero Rf-252m y liberados en su desintegración al estado sólido. Se registraron tres casos de este tipo. En todos los casos se produjo una fisión posterior en un plazo de 250 nanosegundos. A partir de estos datos, se dedujo una vida media de 60 ns para el estado fundamental del Rf-252, que es ahora el núcleo superpesado de vida más corta conocido en la actualidad.
"El resultado disminuye el límite inferior de los tiempos de vida conocidos de los núcleos más pesados en casi dos órdenes de magnitud, a tiempos que son demasiado cortos para la medición directa en ausencia de estados isómeros adecuados. Los hallazgos actuales establecen un nuevo punto de referencia para seguir explorando los fenómenos asociados a dichos estados isómeros, la estabilidad de fisión invertida, en la que los estados excitados son más estables que el estado molido, y la frontera isotópica en los núcleos más pesados", afirma el profesor Christoph E. Düllmann, jefe del departamento de investigación de química de elementos superpesados del GSI/FAIR.
En futuras campañas experimentales, se prevé la medición de estados isoméricos con estabilidad de fisión invertida en el siguiente elemento más pesado, el seaborgio (Sg, elemento 106), que se utilizará para la síntesis de isótopos de Sg con tiempos de vida inferiores a microsegundos con el fin de cartografiar aún más la frontera isotópica. El resultado también abre nuevas perspectivas para la instalación internacional FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), actualmente en construcción en Darmstadt.
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Publicación original
J. Khuyagbaatar, P. Mosat, J. Ballof, R. A. Cantemir, Ch. E. Düllmann, K. Hermainski, F. P. Heßberger, E. Jäger, B. Kindler, J. Krier, N. Kurz, S. Löchner, B. Lommel, B. Schausten, Y. Wei, P. Wieczorek, A. Yakushev; "Stepping into the Sea of Instability: The New Sub-μs Superheavy Nucleus 252Rf"; Physical Review Letters, Volume 134, 2025-1-14
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