La espectroscopia láser ayuda a revelar propiedades nucleares ocultas del fermio
Las primeras mediciones de alta precisión del núcleo del fermio-255 validan los modelos nucleares modernos y suponen un avance en la búsqueda de elementos superpesados
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Por primera vez, los investigadores han determinado la forma del núcleo de actínido del fermio-255 y han medido su estructura con gran precisión y resolución. Este avance, publicado en *Physical Review Letters*, respalda los modelos teóricos modernos y abre nuevas posibilidades para comprender el comportamiento de los núcleos atómicos más pesados.
El estudio de las formas de los núcleos atómicos proporciona información esencial sobre su estructura interna. En los nucleidos muy pesados, la forma nuclear está estrechamente relacionada con su estabilidad frente a la fisión espontánea y, por lo tanto, es un factor clave en la búsqueda de elementos superpesados de mayor vida media. La fisión espontánea se debe a la fuerte repulsión entre los numerosos protones de los núcleos pesados y, en última instancia, limita la existencia de elementos más allá del uranio (elemento 92).
La investigación de estos núcleos supone un gran reto debido a su disponibilidad extremadamente limitada en la producción artificial. Su estudio requiere vías de producción específicas, así como técnicas experimentales de alta sensibilidad. En el presente trabajo, complejas vías de producción que abarcaron varios años y múltiples instalaciones permitieron obtener muestras que contenían tan solo unos pocos mil millones de átomos. No obstante, esto fue suficiente para llevar a cabo espectroscopia láser avanzada sobre el fermio-255, cuyo núcleo contiene 100 protones y 155 neutrones. Al analizar la subestructura de los niveles de energía atómica en la capa electrónica —que es sensible a las propiedades nucleares—, los investigadores pudieron extraer información sobre la forma del núcleo.
Los experimentos fueron llevados a cabo por una colaboración internacional de científicos e ingenieros de 18 instituciones, liderada por la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), el Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM), que es una sucursal de GSI/FAIR, Alemania, y la Universidad de Gotemburgo, Suecia, que es también la institución de origen de la primera autora, Mitzi Urquiza-González. HÜBNER Photonics GmbH contribuyó al proyecto acogiendo y apoyando a Mitzi Urquiza-González durante su doctorado y aportando su experiencia en tecnología láser avanzada, que resultó esencial para la realización satisfactoria del experimento.
Al combinar los datos experimentales sobre la estructura hiperfina del espectro óptico con cálculos avanzados de teoría atómica, los investigadores determinaron que el núcleo del fermio-255 tiene una forma fuertemente prolata, similar a la de un balón de rugby. Las nuevas mediciones corrigen valores no físicos presentes en las tablas estándar basadas en informes anteriores y se describen adecuadamente mediante modelos nucleares de última generación. Los resultados se han publicado en un artículo reciente en la revista *Physical Review Letters*.
Estructura del núcleo atómico e interacción con la capa electrónica
Los átomos están formados por un núcleo muy pequeño y con carga positiva, rodeado por una nube de electrones. Los electrones más internos se mueven muy cerca del núcleo y, por lo tanto, son sensibles a su tamaño, forma y propiedades magnéticas. Al estudiar estos efectos mediante espectroscopia láser de alta precisión, los científicos pueden obtener información sobre la estructura del núcleo. Para ello, se proyecta luz láser sobre los átomos y se ajusta cuidadosamente su color (frecuencia) para detectar cambios minúsculos en los niveles de energía de los electrones entre estados cuánticos.
La mayoría de los núcleos atómicos no son perfectamente redondos, sino que presentan deformaciones; muchos de ellos se asemejan a un balón de rugby. Esto tiene importantes consecuencias para su interacción con el campo eléctrico generado por los electrones que los rodean. En los núcleos que contienen un número impar de neutrones se produce un segundo efecto electromagnético: actúan como pequeños imanes. En general, la interacción de dichos núcleos con su capa electrónica da lugar a una minúscula división de las transiciones electrónicas en varios niveles muy próximos entre sí. Esto se conoce como interacción hiperfina. Estas divisiones pueden medirse con gran precisión mediante técnicas de espectroscopia láser, lo que permite obtener información detallada sobre el núcleo.
Los primeros niveles de energía atómica del fermio se observaron hace más de 20 años en la JGU. Sin embargo, debido a las limitaciones técnicas de la época, no se pudo resolver la estructura hiperfina, lo que dio lugar a datos nucleares incompletos y, en parte, incoherentes.
De la producción de isótopos a la espectroscopia láser
El fermio no existe en la naturaleza y debe producirse artificialmente, lo que hace que las investigaciones experimentales sean especialmente exigentes. La producción del fermio-255 comenzó con irradiaciones de neutrones de varios meses de duración de material transuránico en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (EE. UU.), lo que dio lugar al einsteinio-254. Tras su uso inicial en experimentos en EE. UU., el material se transportó a Maguncia (Alemania) para su procesamiento inicial, antes de ser enviado al Instituto Laue-Langevin, en Francia, para someterlo a una nueva irradiación con neutrones con el fin de producir el einstenio-255. Este isótopo, que se desintegra en fermio-255, fue finalmente devuelto a Maguncia.
Con su vida media de 40 días, el einsteinio-255 actúa como una fuente continua de fermio-255 durante varias semanas. Las separaciones químicas periódicas realizadas en la JGU permitieron preparar varias muestras que contenían entre varias decenas de millones y hasta mil millones de átomos para los experimentos de espectroscopia.
Las mediciones de espectroscopia láser de alta sensibilidad se realizaron en el separador RISIKO de la JGU. En el experimento, las muestras de fermio se calentaron a aproximadamente 1 000 grados Celsius, lo que provocó la evaporación de los átomos. A continuación, estos átomos fueron irradiados con luz láser, y la excitación resonante provocó la ionización, lo que permitió la detección selectiva. El equipo logró resolver con éxito la estructura hiperfina de dos transiciones ópticas, gracias a unos sistemas láser de titanio-zafiro fabricados a medida y a una amplia experiencia en el manejo de cantidades de muestra extremadamente pequeñas.
Cálculos teóricos en consonancia con los resultados experimentales
Para interpretar los espectros experimentales, se llevaron a cabo cálculos específicos de teoría atómica en la Universidad Jagellónica de Cracovia (Polonia) y en el HIM. Estos cálculos confirmaron la forma nuclear fuertemente deformada y proporcionaron un momento dipolar magnético que discrepa de los valores tabulados anteriormente y los corrige. Los resultados concuerdan perfectamente con las predicciones de la teoría nuclear moderna desarrolladas en el CEA Arpajon (Francia), el IP2I de Lyon (Francia) y la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania).
El experimento colma una importante laguna en nuestro conocimiento de las propiedades nucleares de los elementos más pesados y demuestra que es posible realizar mediciones de precisión incluso con cantidades extremadamente pequeñas de material.
Al proporcionar información precisa sobre la forma nuclear y las propiedades magnéticas en sistemas tan pesados, los resultados mejoran directamente los modelos de fisión nuclear, lo que ayuda a predecir la estabilidad de elementos superpesados aún desconocidos y orienta futuros descubrimientos en los límites de la tabla periódica.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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