Un equipo de investigadores de GSI/FAIR, la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz y el Instituto Helmholtz de Mainz ha logrado explorar con mayor precisión los límites de la denominada «isla de estabilidad» dentro de los núcleos superpesados, mediante la medición del núcleo de rutherfordio-252 (Rf-252), que se convierte así en el núcleo superpesado de vida más corta conocido hasta la fecha. Estos resultados han sido publicados en la revista Physical Review Letters.
Avances en la comprensión de los núcleos superpesados
La fuerza nuclear fuerte es la responsable de la cohesión en los núcleos atómicos formados por protones y neutrones. Sin embargo, dado que los protones tienen carga positiva, se repelen entre sí, lo que pone en riesgo la estabilidad de los núcleos que contienen un número excesivo de protones. Para abordar este desafío en la producción de nuevos elementos superpesados, se han identificado ciertas combinaciones de protones y neutrones, conocidas como «números mágicos», que confieren una mayor estabilidad a los núcleos.
Desde los años 60, trabajos teóricos han anticipado la existencia de una isla de estabilidad en el mar de núcleos superpesados inestables, donde se podrían alcanzar tiempos de vida extremadamente largos, incluso cercanos a la edad de la Tierra. La observación de la creciente vida media en los núcleos más pesados conocidos hasta ahora ha confirmado este concepto, a medida que se acerca el siguiente número mágico de 184 neutrones. Sin embargo, la ubicación exacta de la cima de esta isla, junto con su altura y extensión, aún permanece desconocida.
Los investigadores han dado un paso más hacia la cartografía de esta isla, al descubrir el núcleo superpesado de Rf-252, que marca la posición de la «línea de costa» de dicha isla. La detección experimental es complicada, ya que la vida media mínima de los núcleos superpesados es del orden de una millonésima de segundo, lo que hace inaccesibles a los núcleos de vida extremadamente corta situados en la zona de inestabilidad. Sin embargo, los estados excitados, estabilizados por efectos cuánticos, pueden mostrar vidas medias más largas, lo que permite el acceso a estos núcleos efímeros.
El Dr. Khuyagbaatar Jadambaa, primer autor del estudio, afirma que «los estados excitados de vida larga, conocidos como isómeros, son comunes en los núcleos superpesados de forma deformada». Estos isómeros enriquecen la comprensión de la isla de estabilidad al crear «nubes de estabilidad» sobre el mar de inestabilidad.
El equipo de investigación de Darmstadt y Mainz ha confirmado experimentalmente estas predicciones al buscar el núcleo Rf-252, que se había escapado a la detección hasta ahora. Utilizando un intenso haz de titanio-50 disponible en el acelerador UNILAC de GSI/FAIR, los investigadores fusionaron núcleos de titanio con núcleos de plomo en una lámina objetivo. Los productos de fusión fueron separados en el aparato TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) y posteriormente implantados en un detector de silicio.
En total, se detectaron 27 átomos de Rf-252 que decayeron por fisión, con una vida media de 13 microsegundos. Gracias a un sistema de adquisición de datos digital rápida desarrollado por el departamento de Electrónica de Experimentos de GSI/FAIR, se registraron los electrones emitidos tras la implantación del isómero Rf-252m y su posterior decaimiento al estado fundamental. Se registraron tres casos de este fenómeno, todos seguidos de una fisión en un plazo de 250 nanosegundos. De estos datos se dedujo que la vida media del estado fundamental de Rf-252 es de 60 nanosegundos, convirtiéndose así en el núcleo superpesado de vida más corta conocido hasta el momento.
Este hallazgo reduce el límite inferior de las vidas medias conocidas de los núcleos más pesados en casi dos órdenes de magnitud, hasta tiempos demasiado cortos para su medición directa sin estados isómeros adecuados. Según el Profesor Christoph E. Düllmann, jefe del departamento de química de elementos superpesados de GSI/FAIR, «los hallazgos actuales establecen un nuevo referente para la exploración de fenómenos asociados con tales estados isómeros».
Las futuras campañas experimentales contemplan la medición de estados isómeros con estabilidad de fisión invertida en el siguiente elemento más pesado, el seaborgio (Sg, elemento 106), con el objetivo de sintetizar isótopos de Sg con vidas medias inferiores a un microsegundo para continuar mapeando la frontera isotópica en los núcleos más pesados. Este resultado también abre nuevas perspectivas para la instalación internacional FAIR, actualmente en construcción en Darmstadt.
