Profundizan en el proceso de formación de los núcleos pesados en el universo

Investigadores de la Universidad de Santiago de Compostela (USC) han liderado un grupo internacional, en el que también participa el Instituto de Física Corpuscular (IFIC, CSIC-UV), para sintetizar y estudiar núcleos atómicos que sólo se producen en las estrellas. Sus propiedades son claves para entender lo que se conoce como \’proceso r\’ de nucleosíntesis estelar, relacionado con la formación de los elementos más pesados que el hierro en el universo.

Los investigadores han creado 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.

El equipo, coordinado 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 40×10¹² 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).