Un equipo internacional de investigadores con participación de la Universidad de Granada (UGR) ha podido medir directamente la intensidad de los efectos de capas en elementos muy pesados, lo que proporciona valiosa información sobre la estructura nuclear de este tipo de elementos desconocidos en la Naturaleza.
Estos resultados son prometedores para localizar la llamada “Isla de Estabilidad”, teoría que establece la existencia de elementos superpesados que serían muy estables, cuya vida media sería de cientos o incluso miles de millones de años. Estas medidas se han llevado a cabo en isótopos de nobelio y laurencio utilizando el acelerador de partículas del laboratorio de física nuclear GSI en Darmstadt (Alemania). Los resultados fueron publicados por la revista Science en agosto.
Los llamados elementos superpesados son aquellos cuyo número atómico es mayor que el del laurencio (Z=103). Estos elementos no existen en la Naturaleza y son creados en laboratorios de física nuclear como GSI mediante colisiones de iones. En su mayor parte son elementos inestables, por lo que se desintegran en cortos periodos de tiempo tras su creación. Sin embargo, hay predicciones teóricas que establecen la existencia de un grupo de elementos superpesados extraordinariamente estable entorno a lo que se ha dado en llamar “Isla de Estabilidad”.
Estos elementos superpesados deben su estabilidad exclusivamente a los denominados “efectos de capa” en el núcleo atómico. Los constituyentes del núcleo, protones y neutrones, se organizan en capas. En algunas configuraciones llamadas “mágicas”, donde las capas están completamente llenas, los protones y neutrones están más fuertemente unidos, lo cual da origen a estos elementos superpesados estables. Sin este efecto, en el caso de elementos superpesados se desintegrarían de forma inmediata debido a la repulsión de Coulomb entre los protones.
En busca del ‘número mágico’
Tras décadas de investigación, su localización exacta sobre la carta de núcleos es un tema de extensa discusión sobre el que todavía no hay consenso. Algunos modelos teóricos predicen un “número mágico” de protones para el elemento 114, mientras que otros prefieren los elementos 120 o 126. Otra cuestión controvertida es si las vidas medias de los núcleos situados sobre la isla serán sólo de cientos o incluso miles o millones de años. Hasta la fecha todos los elementos superpesados han sido sintetizados en laboratorios y tienen vidas medias cortas. Ningún elemento superpesado se ha encontrado todavía en la naturaleza.
Obtener información precisa sobre la intensidad de los efectos de capas que aumente la energía de enlace de protones y neutrones en el caso de capas llenas es fundamental para obtener predicciones más exactas sobre la ubicación y extensión de la “Isla de Estabilidad”. Dado que la energía de enlace nuclear está relacionada con la masa a través de la famosa ecuación de Einstein E = mc2, los aceleradores de partículas potentes como GSI pueden producir elementos superpesados a partir de grandes energías y pesar sus núcleos atómicos directamente para medir así la intensidad de los efectos de capas.
Esto es lo que ha conseguido un grupo internacional de investigadores entre los que se encuentra Daniel Rodríguez, del Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear de la Universidad de Granada, y miembro del Centro Nacional de Física de Partículas, Astropartículas y Nuclear (CPAN). Con la instalación de trampas de iones SHIPTRAP, actualmente la balanza más precisa para pesar los elementos más pesados, los científicos han podido medir, de la forma más precisa obtenida hasta ahora, las masas de elementos en la región del número mágico de neutrones N=152, concretamente sobre isótopos de nobelio (Z=102) y laurencio (Z=103).
Trampa magnética
Para ello, los científicos producen los elementos con el acelerador de partículas del GSI y los confinan en las trampas magnéticas de SHIPTRAP. Para la medida del isótopo laurencio-256, sólo 50 iones se pudieron detectar durante cuatro días. Los nuevos datos sirven como punto de referencia para los mejores modelos sobre los núcleos más pesados y permite mejorarlos en sus predicciones.
En la colaboración internacional participan científicos del GSI, el instituto Helmholtz de Mainz (HIM) y las universidades de Giessen, Granada, Greifswald, Heidelberg, Mainz, Múnich y Padua, el instituto Max-Planck de Física Nuclear de Heidelberg y el instituto PNPI de San Petersburgo.
En la actualidad, la UGR está construyendo un dispositivo único en el mundo, denominado sensor cuántico, que servirá para medir masas de núcleos con números atómicos más altos de los medidos hasta la fecha. Dicho dispositivo una vez construido se acoplará al acelerador del GSI en Alemania en la instalación SHIPTRAP. La construcción de este dispositivo (en marcha desde noviembre de 2011) es posible gracias a una subvención de 1,5 millones de euros otorgada en 2011 por el Consejo Europeo de Investigación a Daniel Rodríguez.
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