Descubren rotaciones cuánticas inesperadas en los isótopos de cadmio

Los sistemas estables de isótopos de cadmio son considerados el paradigma de núcleos atómicos que vibran alrededor de una forma esférica. Un reciente trabajo, en el que participa la Universidad Autónoma de Madrid (UAM) (España), demuestra que estos sistemas cuánticos tienen una estructura mucho más compleja de la que creíamos, en la que coexisten diferentes formas girando en lugar de vibrar. Los resultados se publican en Physical Review Letters.

Los isótopos estables de cadmio ^110-112Cd (un sistema con 48 protones y 62-64 neutrones) se han considerado hasta ahora como el ejemplo de núcleos esféricos que están vibrando.

Recientemente, un equipo internacional liderado por el Prof. Paul Garrett (University of Guelph, Canadá) realizó nuevos experimentos de espectroscopía gamma de alta precisión, en la instalación TRIUMF de Vancouver (Canadá), logrando la más extensa y precisa medición que se haya realizado hasta ahora de los espectros de isótopos estables de cadmio ^110-112Cd.

Estos resultados experimentales fueron validados con cálculos teóricos del Dr. Tomás R. Rodríguez, investigador de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Los cálculos, que se publican en Physical Review Letters, fueron ejecutados en superordenadores con técnicas avanzadas de resolución de muchos cuerpos cuánticos.

“De la combinación de los estudios experimentales y teóricos se infiere que estos isótopos no son esféricos, sino que presentan en realidad varias formas, más o menos deformadas, que rotan, produciendo en sus espectros diferentes ramas de desintegración características, a las que llamamos bandas rotacionales”, explica el profesor de la UAM.

A este tipo de fenómeno, en el que un mismo isótopo puede presentar diferentes deformaciones dependiendo de la energía a la que se encuentre, se le denomina ‘coexistencia de forma’. En este trabajo, los investigadores encontraron hasta cuatro formas diferentes, “tres similares a un melón más o menos deformado, y la restante parecida a una lenteja”, explican los autores.

“Este —añaden— es un estudio pionero que abre la posibilidad de buscar la coexistencia de forma en otros núcleos, lo que ayudará a entender mejor la dinámica de estos sistemas cuánticos tan complejos y fascinantes”.

Formas que se encuentran en los estados cuánticos de los núcleos ^110-112Cd. (Foto: UAM)

Coexistencia de forma

Los núcleos atómicos son sistemas compuestos por protones y neutrones unidos por la interacción fuerte nuclear. Su tamaño es unas 10 mil veces más pequeño que un átomo (o mil millones de millones más pequeño que un metro).

A pesar de su minúsculo tamaño, estos sistemas cuánticos pueden adoptar diferentes formas; similares por ejemplo a una bola de billar, un melón o una mandarina.

Cuando el núcleo está en un estado excitado, este puede corresponder al movimiento colectivo de todo el sistema, como las vibraciones alrededor de una esfera (parecido al latido de un corazón) o rotaciones de un sistema deformado alrededor de un eje perpendicular a su eje de simetría (como si hiciéramos girar un melón encima de una mesa sin que ruede).

Cuando estos estados excitados se desintegran en otros más estables, se emiten rayos gamma en un proceso equivalente al de la emisión de luz visible que ocurre en un anuncio de neón, pero con energías mucho mayores.

Las características de estos espectros de emisión son diferentes si provienen de vibraciones de núcleos esféricos o de rotaciones de núcleos deformados, por lo que dichos espectros son como fotografías cuánticas del núcleo que se está desintegrando. (Fuente: UAM)