Una combinación de física nuclear experimental y teórica junto a modernas técnicas de modelado computacional ha sido capaces de revelar la amplitud completa del cambio de forma entre los núcleos pares e impares de los isótopos exóticos del mercurio, así como de explicar el proceso. El resultado, obtenido por un equipo científico internacional en la instalación de física nuclear del CERN, ISOLDE, se publica en Nature Physics, y demuestra y explica un fenómeno único en los isótopos del mercurio donde la forma de su núcleo cambia drásticamente entre un balón de fútbol y uno de rugby.
Los isótopos son formas de un elemento que contienen el mismo número de protones en su núcleo y distinto número de neutrones. Las propiedades de estos isótopos se pueden usar de muchas formas, como la datación arqueológica por el carbono 14 o el diagnóstico medico. Los isótopos estables tiene una óptima relación entre el número de protones y de neutrones. Sin embargo, cuando el número de neutrones aumenta o disminuye se requieren cambios estructurales en el núcleo, por lo que el isótopo se vuelve inestable, es decir, se transforma en uno estable o en otro tipo de elemento mediante una desintegración radiactiva. Los isótopos donde la relación entre neutrones y protones es extrema tienen una vida media muy corta, lo que los hace muy difíciles de producer y estudiar en los laboratorios. ISOLDE es el único lugar del mundo capaz de estudiar un abanico tan amplio de estos isótopos, llamados ‘exóticos’.
Uno de los primeros experimentos de ISOLDE observó un drástico cambio en la forma de los núcleos de la cadena de isótopos del mercurio por primera vez. Este resultado de más de 40 años mostró que a pesar de que la mayoría de los isótopos con un número de neutrones entre 96 y 136 tienen un núcleo de forma esférica, los que tienen 101, 103 y 105 neutrones tiene una forma muy estirada, parecida a un balón de rugby. Este resultado es uno de los hitos de ISOLDE, pero el cambio es tan extremo que resultaba difícil de creer.
En este nuevo resultado, el equipo experimental utilizó diversas técnicas como espectroscopía láser ionizado, espectrometría de masas y espectroscopía nuclear para mirar más de cerca cómo, por qué y cuándo tienen lugar estas transiciones de fase cuántica. No solo han reproducido los resultados del histórico experimento (observando los isótopos hasta el mercurio 181) produciendo y estudiando cuatro isótopos exóticos adicionales (177-180), sino que también han descubierto el punto a partir del cual el cambio drástico de forma para y los isótopos de mercurio vuelven a comportarse normalmente. Varias teorías habían tratado de describir lo que pasaba, pero ninguna había podido ofrecer una explicación completa.
“Debido a la extrema dificultad en producir estos núcleos exóticos y al reto computacional de modelar un sistema tan complejo, las razones de este bamboleo en su forma han permanecido sin resolver”, explica Bruce Marsh, autor principal del estudio. “Solo ahora con los nuevos desarrollos de la fuente RILIS de ISOLDE, y uniendo fuerzas con otros equipos, hemos sido capaces de examinar la estructura de estos isótopos”.
Estas observaciones experimentales son excepcionales en sí mismas, pero la colaboración quiso concluir la historia explicando teóricamente el efecto de bamboleo de la forma. Usando uno de los superordenadores más potentes del mundo ubicado en Japón, físicos teóricos desarrollaron los cálculos más ambiciosos del modelo nuclear de capas realizados hasta la fecha.
Estos cálculos identificaron los componentes microscópicos que controlan este cambio de forma; concretamente, que cuatro protones están excitados más allá de un nivel predicho por la teoría nuclear sobre el comportamiento de otros isótopos estables. Estos cuatro protones se combinan con ocho neutrones y esto provoca el cambio a la forma nuclear elongada. De hecho, ambas formas son posibles para cada isótopo del mercurio, dependiendo de si está en estado fundamental o excitado, pero la mayoría tiene el núcleo con forma de pelota de fútbol porque se encuentran en estado fundamental. La sorpresa es que la Naturaleza elige la forma alargada del balón de rugby para tres isótopos.
“El ingenio y la innovación son características de la comunidad científica de ISOLDE. La forma en la que han combinado diferentes técnicas experimentales ha fijado el listón para otras instalaciones de física nuclear”, dijo Eckhard Elsen, director de Investigación y Computación del CERN. “Este hermoso resultado demuestra lo que pueden conseguir los físicos experimentales y teóricos trabajando juntos”.
