Descubren un inesperado ‘bache’ en la energía de enlace de isótopos de lantano radioactivos

Investigadores del Laboratorio de Aceleradores de la Universidad de Jyväskylä, en Finlandia, han realizado mediciones precisas de las masas atómicas de isótopos radiactivos de lantano, descubriendo una característica interesante en sus energías de enlace nuclear. Este hallazgo proporciona datos esenciales para comprender cómo se producen los elementos más pesados que el hierro en el cosmos y abre nuevas líneas de investigación para dilucidar la estructura nuclear subyacente que causa este inesperado cambio en las energías de enlace nuclear.

Las energías de enlace nuclear de los núcleos radiactivos ricos en neutrones son insumos fundamentales para los cálculos que abordan el origen de los elementos pesados en el cosmos. Recientemente, los investigadores produjeron isótopos radiactivos y ricos en neutrones de lantano utilizando la instalación de separación isotópica en línea por guía iónica (IGISOL). Los isótopos producidos tienen una vida útil corta, lo que dificulta su estudio. La investigación ha sido publicada en la revista Physical Review Letters.

“Gracias a la técnica altamente sensible de resonancia ciclónica de iones por imagen de fase, se pudieron determinar las masas de seis isótopos de lantano con una precisión muy alta utilizando el espectrómetro de masas JYFLTRAP. Las masas de los dos isótopos más exóticos, lantano-152 y lantano-153, fueron medidas por primera vez”, explica la profesora Anu Kankainen de la Universidad de Jyväskylä, quien lideró la investigación como parte de su proyecto ERC CoG MAIDEN.

Un fenómeno observado en colisiones de estrellas de neutrones

Las mediciones de masa de alta precisión se utilizaron para estudiar las energías de separación de neutrones de los isótopos de lantano. La energía de separación de neutrones indica cuánta energía se requiere para eliminar un neutrón del núcleo de un isótopo dado.

“Proporciona información sobre la estructura del núcleo y es un insumo esencial para calcular las tasas de captura de neutrones astrofísicas para el proceso de captura rápida de neutrones (r), que ocurre al menos en las fusiones de estrellas de neutrones, como se evidenció, por ejemplo, en la observación de la kilonova resultante de la fusión GW170817”, explica Kankainen.

En este trabajo, los investigadores determinaron las energías de separación de dos neutrones de los isótopos de lantano y descubrieron un fuerte aumento local, un «bache», en los valores, cuando el número de neutrones aumenta de 92 a 93. Este bache observado es único y requiere estudios adicionales.

“Después de realizar el análisis de datos de masa y calcular las energías de separación de dos neutrones, me sorprendió encontrar esta característica. Ninguno de los modelos actuales de masa nuclear puede explicarlo. Hay algunas indicaciones de que podría ser causado por un cambio repentino en la estructura nuclear de estos isótopos, pero requerirá investigaciones adicionales con métodos complementarios, como la espectroscopía láser o nuclear”, señala Arthur Jaries, investigador de doctorado en la Universidad de Jyväskylä, quien defenderá su tesis doctoral en junio.

Los nuevos valores de masa precisos modificaron las tasas de reacción de captura de neutrones astrofísicas calculadas hasta en un 35% y redujeron las incertidumbres relacionadas con la masa en hasta un factor de 80 en los casos más extremos.

“Estas tasas de reacción mejoradas son importantes para abordar la formación del pico de abundancia de tierras raras en el proceso r. Más importante aún, las mediciones muestran que los modelos actuales de masa nuclear utilizados en los modelos astrofísicos no logran predecir esta característica y requerirán desarrollos adicionales en el futuro”, concluye Kankainen.