Un misterio de larga data en el campo de la física nuclear es por qué el universo está compuesto de los materiales específicos que vemos a nuestro alrededor. En otras palabras, ¿por qué está hecho de "estas" cosas y no de otras cosas?
Específicamente de interés son los procesos físicos responsables de la producción de elementos pesados, como el oro, el platino y el uranio, que se cree que ocurren durante las fusiones de estrellas de neutrones y los eventos estelares explosivos.
Científicos del Laboratorio Nacional de Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) lideraron un experimento internacional de física nuclear realizado en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear, que utiliza técnicas novedosas desarrolladas en Argonne para estudiar la naturaleza y el origen de elementos pesados ​​en el universo. El estudio puede proporcionar información crítica sobre los procesos que trabajan juntos para crear los núcleos exóticos, e informará a los modelos de eventos estelares y el universo primitivo.
Los físicos nucleares en la colaboración son los primeros en observar la estructura de capa de neutrones de un núcleo con menos protones que plomo y más de 126 neutrones, "números mágicos" en el campo de la física nuclear.
En estos números mágicos, de los cuales 8, 20, 28, 50 y 126 son valores canónicos, los núcleos tienen una estabilidad mejorada, al igual que los gases nobles lo hacen con los depósitos de electrones cerrados. Los núcleos con neutrones por encima del número mágico de 126 están en gran parte inexplorados porque son difíciles de producir. El conocimiento de su comportamiento es crucial para comprender el proceso rápido de captura de neutrones, o proceso r, que produce muchos de los elementos pesados ​​del universo.
Se cree que el proceso r ocurre en condiciones estelares extremas, como las fusiones de estrellas de neutrones o las supernovas. Estos ambientes ricos en neutrones son donde los núcleos pueden crecer rápidamente, capturando neutrones para producir elementos nuevos y más pesados ​​antes de que tengan la posibilidad de descomponerse.

Este experimento se centró en el isótopo de mercurio 207Hg. El estudio de 207Hg podría arrojar luz sobre las propiedades de sus vecinos cercanos, núcleos directamente involucrados en aspectos clave del proceso r.
"Una de las preguntas más importantes de este siglo ha sido cómo se formaron los elementos al comienzo del universo", dijo el físico de Argonne Ben Kay, el científico principal del estudio. "Es difícil investigar porque no podemos simplemente desenterrar una supernova de la tierra, así que tenemos que crear estos ambientes extremos y estudiar las reacciones que ocurren en ellos".
Para estudiar la estructura de 207Hg, los investigadores utilizaron por primera vez la instalación HIE-ISOLDE en el CERN en Ginebra, Suiza. Se disparó un haz de protones de alta energía contra un objetivo de plomo fundido, y las colisiones resultantes produjeron cientos de isótopos exóticos y radiactivos.
Luego separaron los núcleos de 206Hg de los otros fragmentos y usaron el acelerador HIE-ISOLDE del CERN para crear un haz de núcleos con la energía más alta jamás lograda en esa instalación del acelerador. Luego enfocaron el haz en un objetivo de deuterio dentro del nuevo Espectrómetro Solenoidal ISS (ISS).
"Ninguna otra instalación puede hacer haces de mercurio de esta masa y acelerarlos a estas energías", dijo Kay. "Esto, junto con el excelente poder de resolución de la EEI, nos permitió observar el espectro de estados excitados en 207Hg por primera vez".
El ISS es un espectrómetro magnético de nuevo desarrollo que los físicos nucleares utilizaron para detectar instancias de núcleos de 206Hg que capturan un neutrón y se convierten en 207Hg. El imán solenoidal del espectrómetro es un imán de resonancia magnética superconductora 4-Tesla reciclado de un hospital en Australia. Fue trasladado al CERN e instalado en ISOLDE, gracias a una colaboración dirigida por el Reino Unido entre la Universidad de Liverpool, la Universidad de Manchester, el Laboratorio Daresbury y los colaboradores de KU Leuven en Bélgica.

El deuterio, un raro isótopo pesado de hidrógeno, consiste en un protón y un neutrón. Cuando 206Hg captura un neutrón del objetivo de deuterio, el protón retrocede. Los protones emitidos durante estas reacciones viajan al detector en la EEI, y su energía y posición proporcionan información clave sobre la estructura del núcleo y cómo está unido. Estas propiedades tienen un impacto significativo en el proceso r, y los resultados pueden informar cálculos importantes en modelos de astrofísica nuclear.
La ISS utiliza un concepto pionero sugerido por el distinguido compañero de Argonne John Schiffer que fue construido como el espectrómetro orbital helicoidal del laboratorio, HELIOS, el instrumento que inspiró el desarrollo del espectrómetro ISS. HELIOS ha permitido la exploración de propiedades nucleares que antes eran imposibles de estudiar, pero gracias a HELIOS, se han llevado a cabo en Argonne desde 2008. La instalación ISOLDE del CERN puede producir haces de núcleos que complementan los que se pueden hacer en Argonne.
Durante el siglo pasado, los físicos nucleares han podido recopilar información sobre núcleos a partir del estudio de colisiones donde los haces de iones de luz golpean objetivos pesados. Sin embargo, cuando los rayos pesados ​​alcanzan objetivos ligeros, la física de la colisión se distorsiona y es más difícil de analizar. El concepto HELIOS de Argonne fue la solución para eliminar esta distorsión.
"Cuando tienes una bala de cañón de un rayo que golpea un objetivo frágil, la cinemática cambia y los espectros resultantes se comprimen", dijo Kay. "Pero John Schiffer se dio cuenta de que cuando la colisión ocurre dentro de un imán, los protones emitidos viajan en un patrón en espiral hacia el detector, y mediante un 'truco' matemático, esto despliega la compresión cinemática, lo que resulta en un espectro no comprimido que revela el núcleo nuclear subyacente estructura."
Los primeros análisis de los datos del experimento CERN confirman las predicciones teóricas de los modelos nucleares actuales, y el equipo planea estudiar otros núcleos en la región de 207Hg utilizando estas nuevas capacidades, dando una visión más profunda de las regiones desconocidas de la física nuclear y la r -proceso.
Además de llevar a cabo el experimento en el CERN, los científicos de Argonne informaron el diseño de la EEI y equiparon el espectrómetro con sus detectores HELIOS y la electrónica de adquisición de datos.
Kay también está involucrada en el desarrollo de otro espectrómetro solenoidal en la Instalación patrocinada por el DOE para haces de isótopos raros (FRIB) en la Universidad Estatal de Michigan, llamada SOLARIS, que aporta su experiencia en física nuclear a otra colaboración interinstitucional.
Los resultados de este estudio se publicaron en un artículo titulado "Primera exploración de la estructura de la cubierta de neutrones debajo del cable y más allá de N = 126" el 13 de febrero en Physical Review Letters. La investigación fue patrocinada por la Oficina de Física Nuclear del DOE, el Consejo de Instalaciones de Ciencia y Tecnología del Reino Unido y el Consejo Europeo de Investigación.