Un equipo internacional de científicos ha logrado identificar una región inesperada de isótopos pesados y deficientes en neutrones en el gráfico nuclear, donde la fisión nuclear está predominantemente gobernada por un modo asimétrico. Este experimento fue llevado a cabo por la colaboración R3B-SOFIA en el Centro Helmholtz de Investigación de Iones Pesados (GSI) en Darmstadt, Alemania, como parte del programa FAIR Phase 0.
Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Nature. El equipo examinó las propiedades de fisión de 100 isótopos exóticos deficientes en neutrones, que van desde el iridio (número atómico Z = 77) hasta el torio (Z = 90). Estos isótopos, que presentan un bajo número de neutrones en relación con el número de protones, fueron producidos mediante la fragmentación de un haz primario relativista de uranio-238 a una velocidad del 87.6% de la velocidad de la luz, y posteriormente separados e identificados individualmente utilizando el separador de fragmentos GSI/FAIR (FRS).
Un nuevo fenómeno en la fisión nuclear
En la configuración experimental R3B (Reacciones con Hazes Radiactivos Relativistas) del GSI/FAIR, ampliada con un conjunto de sistemas especializados para el singular patrón de experimentos de fisión, los isótopos se dirigieron hacia un blanco segmentado de plomo. Allí, la excitación a unos pocos megaelectrones voltios por encima de su energía de estado fundamental indujo la fisión en dos fragmentos más ligeros. La cámara de ionización doble TWIN-MUSIC permitió medir las cargas de ambos productos de fisión.
Además, el gran imán dipolo superconductor GLAD, enfriado con helio, separó los fragmentos de fisión según su relación momento-carga, dirigiéndolos hacia grandes arreglos de detectores para el seguimiento y medición del tiempo de vuelo, con el fin de reconstruir la dinámica de la reacción. Los terabytes de datos recolectados durante diez días de experimentos revelan una transición hacia una fisión cada vez más asimétrica en núcleos pesados deficientes en neutrones. Este hallazgo marca el descubrimiento de una nueva «isla de fisión asimétrica» en el gráfico nuclear, caracterizada por una sorprendente dominancia de fragmentos de fisión ligeros de criptón (Z = 36).
«Más allá de mapear este fenómeno novedoso, nuestros hallazgos mejoran nuestra comprensión tanto de los procesos de fisión terrestres como cósmicos», afirma Pierre Morfouace del CEA de Francia, primer autor de la publicación en Nature. «Además, ofrecen puntos de referencia valiosos para los modelos teóricos, mejorando significativamente su capacidad predictiva para las distribuciones de fragmentos de fisión en sistemas ricos en neutrones, relevantes, por ejemplo, en la nucleosíntesis por proceso r en el cosmos.»
Este descubrimiento representa un avance significativo en la comprensión del reciclaje de fisión que se espera en explosiones de supernovas, alimentando la producción de elementos en nuestra galaxia y marcando el inicio de la identificación de la extensión de una nueva región observada en el gráfico nuclear donde domina la fisión asimétrica.
«Además, los resultados son una impresionante demostración del rendimiento de la configuración R3B y ofrecen una perspectiva sobre el futuro de FAIR», añade el Dr. Haik Simon, jefe del departamento «Separador de Fragmentos Super» de GSI/FAIR y portavoz adjunto de la colaboración R3B. «La combinación del Separador de Fragmentos Super, sucesor del FRS, y el programa de experimentos NUSTAR planificado en FAIR ofrecerá posibilidades únicas para la producción y selección de isótopos aún más raros y exóticos para abordar preguntas de investigación abiertas en esta área.»
Se planea una serie de experimentos de seguimiento en la instalación internacional de aceleradores FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), que actualmente se encuentra en construcción en GSI. El nuevo separador de fragmentos superconductor Super-FRS será clave para mapear el fenómeno de la fisión asimétrica con mayor detalle y revelar aspectos fundamentales de la materia nuclear en condiciones extremas.
