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Un descubrimiento doblemente mágico

by notiulti

El núcleo deformado de circonio-80 es más ligero que la suma de las masas de sus 40 protones y 40 neutrones. La masa faltante se convierte en energía de enlace a través de E = mc2. La energía de enlace es responsable de mantener unido el núcleo. Crédito: Instalación para haces de isótopos raros

Un equipo de investigadores, incluidos científicos del Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) y la Instalación de Rayos de Isótopos Raros (FRIB) de la Universidad Estatal de Michigan (MSU), han resuelto el caso de la masa faltante de circonio-80.


Para ser justos, también rompieron el caso. Los experimentales demostraron que el circonio-80, un átomo de circonio con 40 protones y 40 neutrones en su núcleo o núcleo—Es más ligero de lo esperado, y utiliza la capacidad incomparable de NSCL para crear isótopos raros y analizarlos. Luego, los teóricos de FRIB pudieron explicar esa pieza faltante utilizando modelos nucleares y métodos estadísticos novedosos.

“La interacción entre teóricos nucleares y experimentales es como un baile coordinado”, dijo Alec Hamaker, asistente de investigación graduado en FRIB y primer autor del estudio que el equipo publicó el 25 de noviembre en la revista. Física de la naturaleza. “Cada uno se turna para liderar y seguir al otro”.

“A veces la teoría hace predicciones antes de tiempo, y otras veces los experimentos encuentran cosas que no se esperaban”, dijo Ryan Ringle, científico principal del Laboratorio FRIB, que estaba en el grupo que hizo el zirconio-80 masa medición. Ringle también es profesor asociado adjunto de física en FRIB y el Departamento de Física y Astronomía de MSU en la Facultad de Ciencias Naturales.

“Se empujan entre sí y eso da como resultado una mejor comprensión del núcleo, que básicamente constituye todo lo que interactuamos”, dijo.

Entonces esta historia es más grande que un núcleo. En cierto modo, es una vista previa del poder de FRIB, una instalación para usuarios de ciencia nuclear respaldada por la Oficina de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU.

Cuando las operaciones de los usuarios comiencen el próximo año, los científicos nucleares de todo el mundo tendrán la oportunidad de trabajar con la tecnología de FRIB para crear isótopos raros que serían imposibles de estudiar en otros lugares. También tendrán la oportunidad de trabajar con los expertos de FRIB para comprender los resultados de esos estudios y sus implicaciones. Ese conocimiento tiene una variedad de aplicaciones, desde ayudar a los científicos a comprender mejor el universo hasta mejorar los tratamientos contra el cáncer.

“A medida que avanzamos hacia la era FRIB, podemos hacer mediciones como lo hemos hecho aquí y mucho más”, dijo Ringle. “Podemos ir más allá. Hay suficiente capacidad aquí para que sigamos aprendiendo durante décadas”.

Dicho esto, el zirconio-80 es un núcleo realmente interesante por derecho propio.

Para empezar, es un núcleo difícil de hacer, pero hacer núcleos raros es la especialidad del NSCL. La instalación produjo suficiente circonio-80 para permitir a Ringle, Hamaker y sus colegas determinar su masa con una precisión sin precedentes. Para hacer esto, utilizaron lo que se conoce como un espectrómetro de masas de trampa de Penning en la instalación de trampa de iones y haces de baja energía (LEBIT) de NSCL.

“La gente ha medido esta masa antes, pero nunca con tanta precisión”, dijo Hamaker. “Y eso reveló algo de física interesante”.

“Cuando hacemos mediciones de masa a un nivel tan preciso, en realidad estamos midiendo la cantidad de masa que falta”, dijo Ringle. “La masa de un núcleo no es solo la suma de la masa de sus protones y neutrones. Falta una masa que se manifiesta como energía que mantiene unido el núcleo”.

Aquí es donde una de las ecuaciones más famosas de la ciencia ayuda a explicar las cosas. En E = mc de Albert Einstein2, la E representa energía y m representa la masa (c es el símbolo de la velocidad de la luz). Esto significa que la masa y la energía son equivalentes, aunque esto solo se nota en condiciones extremas, como las que se encuentran en el núcleo de un átomo.

Cuando un núcleo tiene más energía de enlace, lo que significa que tiene un control más fuerte de sus protones y neutrones, tendrá más masa perdida. Eso ayuda a explicar la situación del circonio-80. Su núcleo está fuertemente unido, y esta nueva medición reveló que la unión era incluso más fuerte de lo esperado.

Esto significaba que los teóricos de FRIB tenían que encontrar una explicación y podían recurrir a las predicciones de hace décadas para ayudar a dar una respuesta. Por ejemplo, los teóricos sospechaban que el núcleo de circonio-80 podría ser mágico.

De vez en cuando, un núcleo en particular se opone a sus expectativas de masa al tener un número especial de protones o neutrones. Los físicos se refieren a estos como números mágicos. La teoría postulaba que el circonio-80 tenía un número especial de protones y neutrones, lo que lo hacía doblemente mágico.

Experimentos anteriores han demostrado que el circonio-80 tiene más forma de pelota de rugby o fútbol americano que de esfera. Los teóricos predijeron que la forma podría dar lugar a esta doble magia. Con la medición más precisa de la masa de circonio-80 hasta la fecha, los científicos podrían respaldar estas ideas con datos sólidos.

“Los teóricos habían predicho que el circonio-80 era un núcleo doblemente mágico deformado hace más de 30 años”, dijo Hamaker. “A los experimentales les tomó algún tiempo aprender la danza y proporcionar evidencia a los teóricos. Ahora que la evidencia está ahí, los teóricos pueden trabajar en los siguientes pasos de la danza”.

Así que el baile continúa y, para ampliar la metáfora, NSCL, FRIB y MSU ofrecen uno de los mejores salones de baile para que se desarrolle. Cuenta con una instalación única en su tipo, personal experto y el programa de posgrado en física nuclear mejor calificado del país.

“Puedo trabajar in situ en una instalación de usuarios nacional en temas de vanguardia de la ciencia nuclear”, dijo Hamaker. “Esta experiencia me ha permitido desarrollar relaciones y aprender de muchos de los investigadores y del personal del laboratorio. El proyecto fue exitoso debido a su dedicación a la ciencia ya las instalaciones y equipos líderes en el mundo en el laboratorio”.


Aprender qué hace que el núcleo funcione


Más información:
Alec Hamaker, medición de masa de precisión de un núcleo autoconjugado ligero 80Zr, Física de la naturaleza (2021). DOI: 10.1038 / s41567-021-01395-w. www.nature.com/articles/s41567-021-01395-w

Citación: Un descubrimiento doblemente mágico (2021, 25 de noviembre) recuperado el 25 de noviembre de 2021 de https://phys.org/news/2021-11-doubly-magic-discovery.html

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