Nuevo «número mágico» en un núcleo atómico, revela un experimento del CERN

La colaboración ISOLTRAP ha medido la masa de núcleos exóticos del calcio usando un nuevo instrumento instalado en uno de los experimentos del CERN: ISOLDE, cuya directora científica es la investigadora del Instituto de Estructura de la Materia (IEM-CSIC) María José García Borge.

Las medidas, publicadas hoy en Nature, establecen un nuevo número mágico,que se relaciona con la estabilidad de estos núcleos exóticos.

Los resultados arrojan luz sobre la descripción de los núcleos en términos de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas de la Naturaleza responsable de mantener unidos protones y neutrones en el núcleo del átomo.

«Esta medida procedente de un experimento clásico de baja energía de ISOLDE complementa bien los recientes resultados sobre el radón, observados por haces post-acelerados, y sobre el astato, observados en la fuente con láseres», dice el director general del CERN, Rolf Heuer. «Demuestran maravillosamente que ISOLDE tiene una amplia variedad de herramientas para la producción de una física emocionante».

Los datos obtenidos refuerzan la prominencia en los isótopos del calcio de un nuevo número mágico no previsto en el «modelo de capas nuclear», por el cual María Goeppert-Mayer y Hans Jensen obtuvieron el Premio Nobel en 1963, hace 50 años.

En este modelo, los protones y neutrones en un núcleo se organizan en capas, similares a las de los electrones en los átomos. Los números mágicos corresponden a números de protones y neutrones que completan capas nucleares y que confieren una especial estabilidad a estos núcleos.

El equipo de ISOLTRAP usó la instalación ISOLDE para fabricar isótopos exóticos del calcio, los cuales tienen un número mágico de protones, 20, formando una capa cerrada. Su objetivo era averiguar cómo se desarrolla la estructura de la capa con el aumento del número de neutrones.

En el calcio es especial su isotopo más común, con 20 neutrones, que es doblemente mágico. Otro de sus isótopos estables tiene 28 neutrones, otro número mágico. Los números mágicos más reconocidos son 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126.

Ahora, el equipo de ISOLTRAP ha determinado las masas de todos los isótopos del calcio hasta el calcio 54, que tiene 34 neutrones y 20 protones. Las medidas no solo establecen sin lugar a duda el nuevo número mágico, 32, para núcleos ricos en neutrones, sino que confirman predicciones de modelos de tres nucleones basados en fuerza chiral efectiva, y dan un paso decisivo en la comprensión de las interacciones nucleares en núcleos exóticos ricos en neutrones.

El nuevo hallazgo rivaliza con los clásicos

«Con una energía de separación de la capa de alrededor de 4 MeV, el nuevo hallazgo para el calcio 52 rivaliza con los números mágicos clásicos», dice Klaus Blaum, del Instituto Max Planck de Física Nuclear (Heidelberg, Alemania) y portavoz de la colaboración ISOLTRAP.

Las medidas fueron posibles mediante la integración de un nuevo tipo de aparato dentro del experimento ISOLTRAP. Usando dos espejos electrostáticos se permitía la separación de iones según su masa con una precisión sin precedentes, midiendo su tiempo de vuelo en una distancia de hasta varios kilómetros.

«Aunque ya habíamos aplicado el sistema de multireflexión del tiempo de vuelo para separar masas, este es su primer uso como un espectrómetro de masas», dice Frank Wienholtz, de la Universidad Ernst-Moritz-Arndt (Greifswald, Alemania) y autor principal del artículo.

Junto con las medidas de las masas, el artículo tiene predicciones sobre la teoría que incluyen fuerzas de tres cuerpos. La del calcio es la cadena de isótopos más pesada para la que se aplican fuerzas de tres nucleones, basadas en una teoría efectiva de la cromodinámica cuántica. La teoría que describe la fuerza nuclear fuerte.

Los resultados de ISOLTRAP están en acuerdo con los cálculos teóricos, y muestran que una descripción de núcleos extremadamente ricos en neutrones puede estar estrechamente conectada a una comprensión más profunda de las fuerzas nucleares.