Un equipo internacional liderado por investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela (USC) con la participación del Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), ha conseguido sintetizar y estudiar núcleos atómicos que sólo se producen en las estrellas cuyas propiedades son claves para entender los procesos de formación de los elementos más pesados que el hierro en el Universo, lo que se conoce como 'proceso r' de nucleosíntesis estelar. Los investigadores han conseguido sintetizar en el laboratorio de física nuclear GSI (Darmstadt, Alemania) 65 núcleos pesados ricos en neutrones que no se conocían con anterioridad, midiendo además la vida media de 12 de ellos. Los resultados, publicados en Physical Review Letters, indican que las vidas medias de estos núcleos son más cortas de lo previsto, lo cual muestra que el 'proceso r' de nucleosíntesis estelar es más rápido de lo que se creía. Esto afectaría a las predicciones que explican las abundancias de elementos pesados de la tabla periódica en el Universo.
El equipo de investigadores liderado por el profesor de la USC José Benlliure usó los aceleradores del laboratorio GSI en Alemania para sintetizar algunos de los núcleos ricos en neutrones que se cree se producen en las explosiones de supernovas o en los colapsos gravitacionales de sistemas binarios de estrellas de neutrones para estudiar algunas de sus propiedades, en particular sus vidas medias.
En este experimento se aceleraron más de 40x1012 núcleos de plomo estable que se hacían incidir sobre una lámina de berilio para arrancarles algunos de los protones que constituyen estos núcleos, y de esa forma producir núcleos de elementos atómicos más ligeros pero con un mayor número de neutrones que sus correspondientes núcleos estables.
Estos núcleos se implantaban en un sensor de silicio diseñado por los investigadores de la USC, que detectaba la posterior desintegración de estos núcleos emitiendo electrones. El tiempo transcurrido entre la producción y la desintegración de los núcleos permitía determinar su vida media. En el experimento se pudieron identificar más de 65 nuevos núcleos de átomos que se podrían generar en el 'proceso r' de nucleosíntesis estelar. Además, se pudo determinar la vida media de 12 de ellos.
Vida media inferior a la calculada
Según señala el investigador de la USC José Benlliure, "las vidas medias obtenidas resultaron ser sensiblemente inferiores a las que predecían la mayoría de los modelos teóricos existentes. La razón es que la desintegración radiactiva de estos núcleos está dominada por una transición cuántica poco común conocida con el nombre de 'transiciones prohibidas', que no se describía correctamente en muchos modelos teóricos".
Para Benlliure, la principal consecuencia de estos resultados es que la velocidad de las reacciones de captura de neutrones del 'proceso r' es mayor, y, por lo tanto, este proceso produciría una mayor cantidad de núcleos de elementos químicos pesados de lo estimado hasta ahora. Este resultado es clave para entender tanto las explosiones de supernovas como la curva de abundancias de los elementos químicos en el Universo.
Para seguir avanzando en estas investigaciones se necesitan aceleradores más potentes que permitan producir núcleos con un mayor exceso de neutrones. Por esta razón, se está construyendo actualmente el nuevo centro de investigación FAIR en Alemania, en el que se podrán sintetizar y estudiar la mayor parte de los núcleos que participan en el 'proceso r' de núcleosíntesis estelar así como estudiar otras reacciones clave para entender el origen de los elementos químicos en el Universo. Alrededor de medio centenar de científicos de diez centros de investigación españoles trabajan en la preparación de FAIR, con el apoyo del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN).
El origen de los elementos de la tabla periódica
Desde mediados del siglo XX los físicos saben que los elementos de la tabla periódica se generan en las estrellas con la excepción del hidrógeno y una buena parte del helio, que se produjeron durante sus primeros instantes del Universo, en el Big Bang. Las estrellas con una masa similar a la del Sol transforman hidrógeno en helio en una primera fase, y posteriormente helio en carbono, neón y magnesio. Estas transformaciones se producen por reacciones de fusión que al mismo tiempo generan la energía que irradian las estrellas. En estrellas con masas superiores a la del Sol, la mayor temperatura que alcanza su núcleo permite que las reacciones de fusión produzcan elementos más pesados.
Los elementos químicos más pesados que el hierro se producen en escenarios estelares menos convencionales, en particular en explosiones de supernovas o en colapsos gravitacionales de sistemas binarios de estrellas de neutrones. Estas 'explosiones' de estrellas se caracterizan por producir una gran cantidad de neutrones, que, al ser capturados por núcleos de elementos ligeros, se transforman en núcleos de elementos más pesados. A este mecanismo de producción de núcleos pesados por captura de neutrones se le conoce con el nombre de 'proceso r'.
Una consecuencia del 'proceso r' es que los núcleos producidos tienen un número de neutrones muy superior al de los núcleos de los átomos estables que constituyen la materia común. Debido a ello, su vida media es muy corta, llegando a los milisegundos. Las propiedades de estos núcleos ricos en neutrones que sólo existen en las estrellas, son claves para entender el 'proceso r', los escenarios estelares en los que tiene lugar y a partir de ello las abundancias de los elementos pesados de la tabla periódica en el Universo.
