Un descubrimiento doblemente mágico

Un equipo de investigadores, incluidos científicos del Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) y la Instalación de Rayos de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan (MSU), han resuelto el caso de la masa faltante de circonio-80.

Para ser justos, también rompieron el caso. Los experimentadores han demostrado que el circonio-80, un átomo de circonio con 40 protones y 40 neutrones en su núcleo o núcleo—Es más ligero de lo esperado y utiliza la capacidad incomparable de NSCL para crear y analizar isótopos raros. Entonces, los teóricos de FRIB pudieron explicar esa pieza faltante usando avanzado modelos nucleares y nuevos métodos estadísticos.

«La interacción entre los teóricos nucleares y experimentales es como un baile coordinado», dijo Alec Hamaker, asistente de investigación graduado en FRIB y primer autor del estudio publicado el 25 de noviembre en la revista. Física de la naturaleza. «Cada uno, a su vez, conduce y sigue al otro».

«A veces, la teoría hace predicciones por adelantado, y otras veces los experimentos encuentran cosas que no se esperaban», dijo Ryan Ringle, científico principal del Laboratorio FRIB, que formó parte del equipo que hizo zirconio-80. masa medición. Ringle también es profesor asociado adjunto de física en el FRIB y el Departamento de Física y Astronomía de MSU en la Facultad de Ciencias Naturales.

«Se empujan entre sí y eso da como resultado una mejor comprensión del núcleo, que es básicamente todo con lo que interactuamos», dijo.

Entonces esta historia es más grande que un núcleo. En cierto modo, es una vista previa del poder de FRIB, una instalación para usuarios de ciencia nuclear respaldada por la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.

Cuando las operaciones de los usuarios comiencen el próximo año, los científicos nucleares de todo el mundo tendrán la capacidad de trabajar con la tecnología FRIB para crear isótopos raros que serían imposibles de estudiar en otros lugares. También tendrán la oportunidad de trabajar con expertos de FRIB para comprender los resultados de estos estudios y sus implicaciones. Este conocimiento tiene una amplia gama de aplicaciones, desde ayudar a los científicos a comprender mejor el universo hasta mejorar los tratamientos contra el cáncer.

«A medida que avanzamos hacia la era FRIB, podemos tomar medidas como lo hemos hecho aquí y mucho más», dijo Ringle. «Podemos ir más allá. Hay suficiente capacidad aquí para que aprendamos durante décadas».

Dicho esto, el zirconio-80 es un núcleo realmente interesante por derecho propio.

Para empezar, es un núcleo difícil de hacer, pero hacer núcleos raros es la especialidad de NSCL. El implante produjo suficiente circonio-80 para permitir que Ringle, Hamaker y sus colegas determinen su masa con una precisión sin precedentes. Para hacer esto, utilizaron lo que se conoce como un espectrómetro de masas de trampa Penning en la instalación LEBIT (Low-Energy-Beam and Ion Trap) de NSCL.

«La gente ha medido esta masa antes, pero nunca con esta precisión», dijo Hamaker. «Y eso reveló una física interesante».

«Cuando tomamos medidas de masa a este nivel preciso, en realidad estamos midiendo la cantidad de masa que falta», dijo Ringle. «La masa de un núcleo no es solo la suma de la masa de sus protones y neutrones. Falta una masa que se manifiesta como energía que mantiene unido al núcleo».

Aquí es donde una de las ecuaciones más famosas de la ciencia ayuda a explicar las cosas. En Albert Einstein E = mc², la E representa energía y m representa la masa (c es el símbolo de la velocidad de la luz). Esto significa que la masa y la energía son equivalentes, aunque esto se hace evidente solo en condiciones extremas, como las que se encuentran en el núcleo de un átomo.

Cuando un núcleo tiene más energía de enlace, lo que significa que tiene un agarre más fuerte que sus protones y neutrones, tendrá más masa perdida. Esto ayuda a explicar la situación del circonio-80. Su núcleo está estrechamente relacionado, y esta nueva medición reveló que el vínculo era incluso más fuerte de lo esperado.

Esto significaba que los teóricos de FRIB tenían que encontrar una explicación y podían usar predicciones de hace décadas para dar una respuesta. Por ejemplo, los teóricos sospechaban que el núcleo de circonio-80 podría ser mágico.

Ocasionalmente, un núcleo en particular contrarresta sus expectativas de masa al tener un número especial de protones o neutrones. Los físicos se refieren a estos como números mágicos. La teoría postulaba que el circonio-80 tenía un número especial de protones y neutrones, lo que lo hacía doblemente mágico.

Experimentos anteriores han demostrado que el zirconio-80 se parece más a una pelota de rugby o fútbol que a una esfera. Los teóricos predijeron que la forma podría dar lugar a esta doble magia. Con la medición de masa más precisa de circonio-80 hasta la fecha, los científicos han podido respaldar estas ideas con datos sólidos.

«Los teóricos predijeron que el circonio-80 era un núcleo deformado doblemente mágico hace más de 30 años», dijo Hamaker. «A los experimentales les llevó algún tiempo aprender a bailar y proporcionar evidencia a los teóricos. Ahora que la evidencia está ahí, los teóricos pueden determinar los siguientes pasos en la danza».

Luego, el baile continúa y, para ampliar la metáfora, NSCL, FRIB y MSU ofrecen una de las mejores salas de baile para tocar. Cuenta con una instalación única en su tipo, personal experimentado y el programa de posgrado en física nuclear de primer nivel del país.

«Puedo trabajar in situ en una instalación de usuarios nacional en temas de vanguardia de la ciencia nuclear», dijo Hamaker. «Esta experiencia me ha permitido desarrollar relaciones y aprender de muchos de los investigadores y del personal del laboratorio. El proyecto fue exitoso debido a su dedicación a la ciencia ya las instalaciones y equipos líderes en el mundo del laboratorio».