Estados nucleares ‘estirados’ bajo lupa en ciclotrón de Cracovia

Todos los elementos químicos se formaron en el proceso de evolución del universo dominado por núcleos atómicos ligeros. Las propiedades de estos núcleos son, por lo tanto, de crucial importancia no solo en astrofísica sino también en relación con nuestra vida cotidiana. Nuestro conocimiento de los núcleos atómicos ligeros se acaba de ampliar gracias a los estudios con aceleradores realizados en Cracovia sobre los estados excitados específicos de los núcleos de carbono-13.

La observación precisa de los fenómenos que ocurren en los núcleos atómicos, especialmente de estados de alta energía, es una tarea extremadamente difícil tanto desde el punto de vista técnico como teórico. Sin embargo, existen variedades de alta excitación de los núcleos atómicos que, debido a su estructura específica, pueden observarse e interpretarse con gran precisión.

Un equipo de físicos de Polonia, Italia, Francia, Bélgica, los Países Bajos, Alemania y Rumania llevó a cabo una serie de mediciones de tales estados en el Centro de Ciclotrones Bronowice en Cracovia, donde se colimó un haz de protones del acelerador en carbono-13. objetivos Los investigadores informaron los resultados en un artículo publicado en letras fisicas b

«Nuestro último resultado se refiere a un tipo especial de excitación de los núcleos atómicos de carbono-13. Estas excitaciones, conocidas como estados resonantes ‘estirados’, atraen el interés de los físicos, especialmente de los astrofísicos, por muchas razones para ampliar nuestro conocimiento de las propiedades de los núcleos atómicos de otros isótopos ligeros», dice el Prof. Bogdan Fornal, quien, junto con el Prof. propuso este tema de investigación.

El comportamiento de los núcleos atómicos excitados a altas energías es extremadamente difícil de observar porque las partículas que los componen entran en complejas interacciones en las que intervienen hasta tres de los cuatro tipos de fuerzas que se encuentran en la naturaleza: fuerte, débil y electromagnética.

En este contexto, entre las principales ventajas de los estados de energía alargados de los núcleos atómicos ligeros se encuentra la relativa simplicidad de su descripción teórica, lo que permite la construcción de modelos que ilustran ampliamente los resultados de las mediciones. La excelente concordancia entre la teoría y la experiencia es una prueba de que el conocimiento obtenido de las observaciones de los estados nucleares estirados debe considerarse fiable.

«Un núcleo en el llamado estado de energía estirada puede considerarse como un sistema en el que, bajo la influencia de una colisión con un protón exterior, solo un protón o neutrón del núcleo supera la brecha de energía y pasa a un estado de energía en el llamado continuo energético”, explica el Dr. Natalia Cieplicka-Orynczak (FIP PAN).

«En el continuo, pueden superponerse diferentes estados de energía del núcleo, lo que complica radicalmente la descripción de los fenómenos que ocurren y su comprensión y, en consecuencia, también la interpretación de los datos de los experimentos. de las capas de energía en el núcleo atómico, se son de los lugares más altos donde aún se pueden hacer observaciones relativamente simples pero precisas».

En el experimento descrito aquí, se utilizó el ciclotrón Proteus C-235 en Cracovia para acelerar protones. El haz emitido por él se centró en objetivos de carbono preparados en el Instituto Nacional de Física e Ingeniería Nuclear en Bucarest. Los protones emitidos durante las colisiones del haz con el objetivo se registraron utilizando el sistema de medición KRATTA, compuesto por seis conjuntos de detectores telescópicos.

Los detectores se dispusieron concéntricamente alrededor del eje del haz de protones, de modo que registraron principalmente los protones emitidos en un ángulo de 36 grados con respecto al haz. Esto se debe a que los análisis teóricos indicaron que era en la vecindad de este ángulo donde debería ser visible la máxima emisión de protones dispersos asociados con los estados de estiramiento del carbono-13.

Además, la cantidad de partículas gamma y cargadas emitidas durante las desintegraciones de resonancia examinadas se registró con el sistema de otros 23 detectores, incluido el moderno sistema de detección PARIS y el detector de partículas DSSSD.

Gracias a las mediciones en el ciclotrón de Cracovia, fue posible establecer directamente que el núcleo de carbono-13 del estado estirado en estudio se descompone a través de dos canales básicos. En el canal que ocurre con mayor frecuencia, el núcleo emite un protón y se convierte en boro-12 excitado, que luego emite un cuanto gamma. En el segundo canal se forma el carbono-12, acompañado de la emisión de un neutrón (que, sin embargo, no se registró en el experimento) y una gamma cuántica.

Debido a la importancia de la investigación en la comprensión de varios procesos nucleares, la serie de experimentos en el Centro de Ciclotrones Bronowice de IFJ PAN continuará. O núcleos atómicos de nitrógeno-14 y carbono-12 se convertirán ahora en objetos de interés para los físicos. En un futuro próximo, también se intentará encontrar estados nucleares extendidos en el boro-11, cuya existencia aún no ha sido claramente documentada.