Estructura Nuclear: A la búsqueda de los límites I

¿Dónde están los límites del Núcleo Atómico?

Siempre estamos procurando saber, dónde están los límites de la estructura atómica, y, más concretamente, de la nuclear.

1. 1. Introducción

En la imagen más simple que podamos imaginar (según los conocimientos que hoy tenemos), el núcleo atómico está formado de protones y neutrones que a su vez están compuestos de Quarks, es decir, el protón está conformado por tres quarks, dos up y un down, mientras que los neutrones, se forman con dos down y un up que, a su vez, están inmersos entre los ocho gluones que hacen posible la fuerza nuclear fuerte, confina a los Quarks y nos les permite que se separen en exceso. Aunque la fuerza entre quarks dictan las interacciones entre los nucleones, su presencia apenas se manifiesta en los núcleos. Pero son estas fuerzas las que gobiernan el comportamiento de la naturaleza a distancias del tamaño del nucleón ( la escla del fentometro – 10̄ con exponente -15 m) y las que determinan que combinaciones de protones Z y neutrones N hacen el núcleo estable.

La Naturaleza a través del proceso de nucleosíntesis y más recientemente el Hombre mediante el uso de aceleradores de partículas puede producir núcleos inestables. La exploración de las propiedades de tales núcleos en nuestros laboratorios en condiciones extremas de masa (núcleos superpesados) o con una relación entre el número de protones y el de neutrones muy diferentes a la de los núcleos que pueblan el valle de la estabilidad (núcleos exóticos, ricos en protones o ricos en neutrones) ha centrado la mayor parte de la actividad reciente de los experimentadores.

            La desintegración Beta

Los núcleos que no están muy lejos de la estabilidad se convierten en otros estables mediante la desintegración Beta de neutrones en protones y viceversa. Es la interacción débil la que es responsable de esa transmutación, lo que explica que los tiempos típicos de los procesos beta (β) sean muy largos, yendo desde unos pocos milisegundos en núcleos como el Litio y el Argón hasta millones de años. Para núcleos muy pesados el camino hacia la estabilidad puede ser muy distinto al resultarles más favorable emitir partículas ligeras, generalmente  4He (α). También pueden fisionarse expontáneamente en dos núcleos de masa comparables. En los casos en que este proceso requiere atravesar una barrera de potencial, la vida media de los núcleos radiactivos es comparable a la de la desintegración beta.

De vuelta a la carta de nucleidos, surge la pregunta de cuáles son los límites de la estabilidad nuclear. Para un cierto número másico A, existe un  número máximo de neutrones  y otro de protones, más allá de los cuáles el núcleo resultante no estaría ligado. Las dos líneas que dibujan esos números en el Diagrama de Segré se denominan líneas de goteo (del inglés “drip line”) de neutrones y de protones, ya que si se añadieran nucleones adicionales, estos “gotearían” sin adherirse “permanentemente” al sistema. Existen diferentes convenciones que permiten definir cuando un núcleo es ligado, la que se basa en argumentos más físicos es la que considera que un núcleo es ligado si existe durante un tiempo suficientemente largo para que los electrones puedan unirse a él formando un átomo. Ese tiempo es del orden de 10 con exponente -15 segundos. El límite experimental viene dado por el mínimo tiempo que puede transcurrir entre su producción y su detección, que se sitúa hoy día en el microsegundo (μs).

Los límites de la estabilidad nuclear son inciertos y sólo se conocen experimentalmente para los elementos más ligeros. La línea de goteo protónica está relativamente próxima al valle de estabilidad puesto que la repulsión coulombiana impide que los núcleos con gran exceso de protones sean ligados. Existe información experimental hasta elementos con Z = 91. El proceso, bastante raro, de radiactividad de protones (emisión de uno o dos protones desde el estado fundamental del núcleo) es la señal de que se ha cruzado la línea de goteo. La situación en el lado neutrónico es muy diferente, la línea de goteo es mucho más difícil de alcanzar. Excepto para los núcleos más ligeros (Z < 10) la posición de la línea de goteo neutrónica se puede estimar tan solo a partir de modelos. Pero, si bien las diferentes fórmulas de masa reproducen correctamente los resultados experimentales, sus predicciones acerca de la línea de goteo neutrónica pueden divergir drásticamente. Saber cuántos neutrones puede llegar a ligar un núcleo pesado es una cuestión de gran interés relacionada también con la estructura y estabilidad de las estrellas de neutrones.

Desde los casi 700 núcleos que se esperan estén ligados en su estado fundamental, se han observado hoy en día unos 3000. La identificación de nuevos núcleos da lugar a menudo a descubrimientos que abren nuevos campos de investigación como son:

• Los núcleos con halo.

• La evolución del campo medio nuclear lejos del valle de la estabilidad

• La existencia de nuevos tipos de super-fluidez nuclear

• La aparición de nuevas regiones de formación

• El estudio de nuevos modos de desintegración

Los núcleos que protagonizan estos descubrimientos son frecuentemente o muy ricos en protones o en neutrones. Se denominan genéricamente “exóticos”, término acuñado en los sesenta y que nos recuerda lo difíciles que son de producir a la vez que el beneficio que se obtiene de su estudio.

El interés en los núcleos exóticos se centra en que presentan nuevas topologías y modos de excitación. Permiten comprender las interacciones nucleónicas  mediante el estudio de su evolución estructural en un amplio rango de secuencias isotópicas (mismo Z) o isotónicas (núcleos con el mismo número N de neutrones). Su conocimiento es crítico para responder a cuestiones astrofísicas como los mecanismos de generación de energía en estrellas, la naturaleza de los fenómenos explosivos más violentos del Universo, o la nucleosíntesis y el origen de los elementos. Además, los núcleos exóticos exhiben de una manera única la física de los sistemas cuánticos poco ligados gobernados por la interacción fuerte. Como la energía de enlace del último nucleón se reduce cuando nos alejamos del valle de estabilidad, la cercanía al continuo puede dar lugar a cambios importantes en las manifestaciones de las correlaciones nucleares. Un ejemplo clásico de correlación nuclear es la que induce la interacción de emparejamiento (pairing), que es responsable de que in sistema con número par de neutrones y de protones tenga una línea de ligadura mayor que uno impar. (Entre los casi 300 núcleos entre estables y primordiales originados en la formación de la Tierra y que todavía persisten  ((T_1/2 > 10⁹ α) sólo cuatro tienen N = impar y Z impar y menos de un 40% son impares bien en protones o en neutrones). Esta interacción de emparejamiento es también responsable de la super-fluidez nuclear.

El núcleo presenta a la vez características típicas de los sistemas cuánticos de pocos y muchos cuerpos. Sus manifestaciones microscópicas y mesoscópicas están gobernadas por fuerzas efectivas de 2 y 3 cuerpos muy complejas, que dependen, no solo de la distancias entre los nucleones sino también de sus momentos y espines. En sus comportamientos microscópicos el núcleo nos recuerda al átomo, en cuanto a los ingredientes fundamentales son los orbitales y las interacciones de los nucleones individuales. Numerosos experimentos muestran que nos núcleos con N ó Z igual a uno de los números mágicos 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126 son más estables que sus vecinos y apoyan la validez del modelo de capas nuclear. Lejos de la estabilidad se puede modificar la estructura de las capas debido a que la interacción neutrón-protón, neutrón-neutrón y protón-protón tienen diferente peso relativo en la construcción del potencial auto-ligante nuclear.

Simultáneamente, se encuentran en el núcleo propiedades asimilables a las de una gota cuántica cargada y por lo tanto se introducen conceptos semi-clásicos como energía de superficie, deformación, vibraciones, rotaciones, transiciones de forma, etc. Entender la emergencia de estos comportamientos semi-clásicos, propios de los sistemas mesoscópicos, en términos de la mecánica cuántica de los componentes elementales del núcleo, protones y neutrones, es uno de los retos mayores de la física nuclear teórica de nuestros días.

En este trabajo partiremos del artículo “Avances recientes en Estructura Nuclear” de A Jungclaus y J.L. Egido escrito con motivo del Centenario de la RSEF (Revista Española de Física, V. 17, nº 3, pag. 55), para centrarnos en dos aspectos muy relevantes en los núcleos exóticos. Por un lado su carácter poco ligado que da lugar a fenómenos como los núcleos con halo o a la aparición de modos exóticos de desintegración. Por otro lado, el equilibrio entre protones y neutrones (medido por el número cuántico de isospín, que para el estado fundamental de los núcleos coincide generalmente con la mitad de la diferencia entre el número de neutrones y el de protones) produce cambios en el potencial que describe el sistema nuclear provocando en ciertos casos la desaparición de los números mágicos habituales y dando lugar a nuevas combinaciones de protones y neutrones que presentan una mayor estabilidad.

2. Límites de la Existencia Nuclea

1. Elementos Superpesados

Una de las preguntas más simples y fundamentales que se nos plantea es: ¿Cuántos elementos químicos pueden existir? Desgraciadamente no tenemos una respuesta definitiva a esta pregunta. Hay tres formas en N, Z y A que definen los límites de existencia nuclear. De entre ellas la más atractiva es la frontera en Z. Recordemos que nuestro conocimiento de los elementos químicos más pesados deriva enteramente de la Física Nuclear. Originalmente el modelo de la gota líquida predecía que el límite de estabilidad se encontraba en Z entre 100-106. A partir de estos valores de Z la repulsión coulombiana entre protones superaba la fuerza atractiva nuclear de corto alcance. Sin embargo, ciertos núcleos pueden obtener estabilidad extra debido a las correcciones microscópicas de capas. Se han dedicado ímprobos esfuerzos a obtener la mejor descripción y extrapolación del campo medio, que sólo está suficientemente comprobado para núcleos con Z ≤ 92. Los modelos actuales de campo medio autoconsistente se dividen se dividen en relativista y no relativistas. Los modelos no relativistas favorecen la isla de estabilidad de elementos superpesados (SHE) alrededor de Z = 124 ó 126 y N = 184. Sin embargo, los modelos relativistas favorecen una zona de estabilidad más extendida centrada alrededor de Z = 120 y N = 172. Sólo la producción de estos núcleos nos dirá donde se localiza la isla y por tanto qué modelo describe mejor los núcleos superpesados.

Desde un punto de vista experimental se han seguido dos vías de aproximación para intentar alcanzar la isla de estabilidad (SHE). La primera utiliza la llamada reacciones de “fusión fría” en ellas se utilizan haces estables sobre blancos estables. La energía del haz incidente se elige para que el núcleo compuesto formado esté “frío” y no evapore apenas partículas, formándose un nuevo núcleo de carga igual a la suma del proyectil y el blanco, Z – Zp + ZB. El núcleo formado sale del blanco delgado y atraviesa un filtro de velocidad de Wien que mediante campos eléctricos y magnéticos permite separar el nuevo núcleo del haz incidente . Una vez separado se implanta en un detector de Si de bandas  y se correlaciona temporalmente el ión implantado con las sucesivas partículas alfa (α) emitidas en el mismo pixel del detector. Mediendo las energías de las nuevas partículas alfa detectadas y la cadena que las conecta con desintegraciones alfa conocidas se ha podido identificar nuevas especies. Mediante este procedimiento se han identificado en el GSI (Alemania) nuevos elementos hasta Z = 112.

Dejaremos aquí el final de la Primera parte  de este buen artículo de Doña María José García Borge y D. Alfredo Poves, publicado en la Revista Española de Física, Volumen 22/2008, con el título “Estructura Nuclear: A la búsqueda de los límites”.

[?]