El oro, al igual que otros elementos pesados como el platino, no se forma en procesos cotidianos. Su existencia depende de eventos cósmicos extremadamente violentos, como explosiones de supernovas o colisiones de estrellas de neutrones. En estos cataclismos, se da un proceso conocido como captura rápida de neutrones, o r-process, que consiste en una avalancha de neutrones sobre núcleos atómicos que luego se desintegran en elementos más estables. Pero hasta ahora, los detalles específicos de este fenómeno seguían siendo borrosos.
Tres descubrimientos que iluminan el camino
Un grupo de físicos nucleares liderado por el profesor Robert Grzywacz y su equipo ha dado un paso clave al realizar tres observaciones inéditas, todas reportadas en un mismo artículo publicado en Physical Review Letters. Este avance abre nuevas puertas para comprender cómo el cosmos construye átomos pesados.
El núcleo del experimento fue el indio-134, un isótopo exótico que no existe naturalmente en la Tierra y que solo puede sintetizarse mediante tecnologías avanzadas. Para obtenerlo, los investigadores colaboraron con el CERN y utilizaron el ISOLDE Decay Station, que no solo generó suficiente material, sino que además lo purificó mediante tecnología láser.
Una vez generado el indio-134, su desintegración dio lugar a isótopos de estaño (Sn-134, Sn-133 y Sn-132), cuya actividad fue monitoreada con detectores de neutrones desarrollados en la propia Universidad de Tennessee. En este escenario, los investigadores lograron realizar la primera medición de energías de neutrones emitidos en una desintegración beta con emisión retardada de dos neutrones.
Este fenómeno ocurre solo en núcleos inestables y efímeros. Capturar dos neutrones en vez de uno implica una energía mínima, pero suficiente como para ser detectada por este sistema pionero. Lo difícil no es solo producir estos núcleos, sino interpretar correctamente qué está ocurriendo cuando los neutrones son tan propensos a «rebotar», como si fueran canicas en una caja sin tapa. Por eso, hasta ahora, nadie había logrado medir sus energías. Este experimento lo consiguió, abriendo así un nuevo campo de estudio.
El papel de la memoria nuclear
El segundo hallazgo fue aún más intrigante: la identificación de un estado de partícula individual de neutrón en el estaño-133, un objetivo buscado por la comunidad científica durante más de 20 años. Esta observación contradice la noción común de que, tras una desintegración beta, el núcleo resultante se comporta como si empezara de cero, sin memoria del núcleo original. Aquí, sin embargo, se demostró que el «recuerdo» del núcleo de indio persiste en el estaño resultante.
En palabras del propio Grzywacz, se creía que el estaño actuaba como un núcleo «amnésico», que al desintegrarse expulsaba neutrones para estabilizarse, sin dejar rastros del proceso anterior. Pero el experimento mostró que ese rastro persiste. Como una sombra que no desaparece, el estado observado sirve como un puente intermedio en la emisión de dos neutrones. Y al identificarlo, los científicos completaron el mapa de excitaciones elementales del estaño-133.
Este hallazgo no solo llena un vacío en el conocimiento, sino que permite ajustar los modelos teóricos que predicen cómo se comportan los núcleos exóticos. Al tener una pieza clave que faltaba, los cálculos pueden ahora afinarse con mayor precisión.
La física más allá del modelo estadístico
La tercera contribución relevante del estudio fue la observación de una población no estadística del estado recién identificado. En física nuclear, se espera que los productos de desintegración sigan patrones similares a una sopa donde todos los ingredientes están mezclados. Pero en este caso, la distribución fue clara, ordenada, como si cada ingrediente flotara en su propia burbuja.
Este comportamiento inesperado indica que, a medida que se avanza en el mapa nuclear hacia regiones más inestables, los modelos clásicos dejan de ser útiles. Nuevas teorías deberán tener en cuenta estos fenómenos para entender elementos aún más raros como el tenesino o para predecir reacciones nucleares en entornos estelares extremos.
Este enfoque más limpio y estructurado no solo desafía las suposiciones anteriores, sino que también sugiere que hay mecanismos desconocidos que influyen en la forma en que los núcleos exóticos se desintegran. Como si la física del núcleo se volviera más selectiva cuanto más lejos se está de la estabilidad.
Una experiencia transformadora para los jóvenes investigadores
El primer autor del estudio, Peter Dyszel, es un estudiante de doctorado que se unió al equipo en 2022. Su papel en el experimento fue esencial, desde la construcción de los marcos de los detectores hasta la calibración de los sistemas electrónicos y el análisis de datos. Su experiencia resume lo que significa hacer ciencia de frontera: construir, medir, ajustar, colaborar y descubrir.
Aunque su nombre lidera la publicación, Dyszel reconoció que el éxito fue fruto del trabajo en equipo, en el que participaron también investigadores como Jacob Gouge, Miguel Madurga y Monika Piersa-Silkowska. El conocimiento generado será la base para futuras investigaciones que intentarán seguir completando el rompecabezas cósmico.
Hacia una nueva comprensión del cosmos
Con estos tres descubrimientos, los físicos nucleares no solo han desentrañado parte del misterio del oro y otros elementos pesados, sino que han ampliado las fronteras de lo que es posible medir y comprender en física nuclear. Cada nueva pieza del rompecabezas ayuda a explicar cómo el universo pasa de partículas subatómicas a estructuras tan complejas como planetas… o joyas.
☞ El artículo completo original de Natalia Polo lo puedes ver aquí
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