El número mágico que podría re-escribir lo que sabemos sobre la ciencia nuclear

La física nuclear sigue desentrañando los misterios que rigen la estructura de la materia a escala subatómica. En este campo, un concepto relevante son los conocidos como "números mágicos", que representan cantidades específicas de protones o neutrones que otorgan una estabilidad considerable a un núcleo atómico. Identificar estos valores cruciales permite a los científicos avanzar en la comprensión de cómo se organizan los núcleos.

Aunque los números mágicos asociados a los isótopos estables y de larga duración están bien definidos desde hace décadas, el escenario es notablemente más complejo para aquellos isótopos altamente inestables y de vida extremadamente corta. El estudio de estas formas raras y efímeras de la materia proporciona a los investigadores pistas importantes sobre el comportamiento de las estructuras nucleares bajo condiciones extremas.

Estos descubrimientos no solo aportan una visión más profunda sobre cómo se formaron los elementos en el universo, sino que también amplían nuestro conocimiento sobre las fuerzas fundamentales que mantienen unidos los núcleos atómicos. La investigación en este ámbito es esencial para el progreso de la física fundamental y sus aplicaciones.

Un nuevo "número mágico" para la física nuclear

En un avance reciente de envergadura, científicos del Instituto de Física Moderna (IMP) de la Academia China de Ciencias han logrado la primera medición de la masa del silicio-22. Este isótopo es excepcionalmente inestable y deficiente en neutrones. Su trabajo ha puesto de manifiesto que, en el silicio-22, el recuento de protones de 14 se comporta como un nuevo número mágico confirmado, según apuntan desde Scitech Daily.

Los núcleos atómicos se componen de protones y neutrones. Cuando el número de estos alcanza ciertas cifras, como 2, 8, 20, 28, 50, 82 o 126, el núcleo se vuelve más estable. Este fenómeno fue explicado en las décadas de 1940 y 1950 por Maria Goeppert Mayer y J. Hans D. Jensen a través del modelo de capas nuclear, trabajo por el cual recibieron el Premio Nobel de Física en 1963.

En los últimos años, investigaciones sobre núcleos "exóticos" –lejos del valle de estabilidad donde se encuentran los isótopos estables– han identificado nuevos números mágicos de neutrones, como 14, 16, 32 y 34. Sin embargo, la observación experimental de nuevos números mágicos de protones ha sido mucho más inusual.

Anteriormente, los científicos descubrieron que en el oxígeno-22 (con 14 neutrones y 8 protones), el número de neutrones 14 mostraba características de "magia". Basándose en la simetría especular nuclear, los teóricos predijeron que el número de protones 14 también debería ser un número mágico en su núcleo espejo, el silicio-22 (con 8 neutrones y 14 protones). Sin embargo, generar y medir este último es extremadamente difícil debido a su baja producción y corta vida media, una predicción teórica que no se había verificado hasta ahora.

Avances metodológicos y sus implicaciones

Utilizando una espectroscopia de masas isócrona mejorada y definida por Bρ, los investigadores del IMP lograron medir con éxito la masa del estado fundamental del silicio-22 en el Anillo de Almacenamiento y Enfriamiento de la Instalación de Investigación de Iones Pesados en Lanzhou. Además, mejoraron la precisión de la masa de su previamente medido silicio-23 en cerca de siete veces.

Los resultados obtenidos muestran que el silicio-22 posee una energía de separación de dos protones positiva; es decir, no pierde espontáneamente dos protones. Esto confirma su estatus como un núcleo situado en la línea de goteo de protones sin radiactividad de dos protones, zanjando un debate de larga duración en la física nuclear.

Con el nuevo valor de masa, el equipo calculó la energía de apareamiento de protones del silicio-22 y la comparó con la energía de apareamiento de neutrones de su núcleo espejo, el oxígeno-22, lo que ha revelado el nuevo número mágico de protones 14. Este hallazgo está respaldado por el modelo de capas de Gamow.

Aunque el silicio-22 exhibe propiedades de doble magia similares a las del oxígeno-22, el estudio encontró que su distribución espacial de protones es más dispersa en comparación con la distribución de neutrones del oxígeno-22, lo que muestra una ligera ruptura de la simetría. Este estudio profundiza la comprensión de las estructuras nucleares exóticas y proporciona nuevas perspectivas sobre las interacciones de los nucleones y la existencia de núcleos extremadamente inusuales.