Detector para ver el origen de los elementos

Los antiguos griegos imaginaban que todo en el mundo natural provenía de su diosa Physis; su nombre es la fuente de la palabra física. Ahora, los físicos nucleares actuales del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía han creado su propia diosa (GODDESS), un detector que proporciona información sobre las reacciones nucleares astrofísicas que producen los elementos más pesados que el hidrógeno (este elemento, el más ligero, fue creado justo después del Big Bang).

Los investigadores desarrollaron un detector de partículas cargadas de última generación en el ORNL llamado Oak Ridge Rutgers University Barrel Array, u ORRUBA, para estudiar las reacciones con rayos de núcleos radioactivos de importancia astrofísica. Recientemente, sus detectores de silicio fueron mejorados para prepararlo para trabajar junto con unos grandes detectores de rayos gamma basados en germanio, como el Gammasphere, y el sistema detector de rastreo de rayos gamma de próxima generación, GRETINA. El resultado es GODDESS (Gammasphere/GRETINA ORRUBA: Dual Detectors for Experimental Structure Studies).

Con una resolución de posición milimétrica, GODDESS registra emisiones procedentes de reacciones que tienen lugar a medida que haces energéticos de núcleos radiactivos ganan o pierden protones y neutrones y emiten rayos gamma o partículas cargadas, como protones, deuterones, tritones, helio-3 o partículas alfa.

"Las partículas cargadas en los detectores de silicio nos dicen cómo se formó el núcleo, y los rayos gamma nos dicen cómo se descompuso", explicó Steven Pain de la División de Física del ORNL. "Fusionamos los dos conjuntos de datos y los usamos como si fueran un solo detector para obtener una imagen completa de la reacción".

A principios de 2019, Pain lideró a más de 50 científicos de 12 instituciones en experimentos de GODDESS para entender los orígenes cósmicos de los elementos. Es el investigador principal de dos experimentos y co-investigador principal de un tercero. Se espera que el análisis de los datos de los complejos experimentos lleve dos años.

"Casi todos los núcleos estables pesados del universo se crean a través de núcleos inestables que reaccionan y luego vuelven a la estabilidad", dijo Pain.

Se muestra a GODDESS acoplada a GRETINA con los experimentadores, de izquierda a derecha, Heather Garland, Chad Ummel y Gwen Seymour, todos de la Universidad de Rutgers, y Rajesh Ghimire de la Universidad de Tennessee-Knoxville y ORNL; y de izquierda a derecha (fila trasera), Josh Hooker de UTK y Steven Pain de ORNL. (Foto: Andrew Ratkiewicz/Oak Ridge National Laboratory, U.S. Dept. of Energy)

Un siglo de transmutación nuclear

En 1911 Ernest Rutherford se sorprendió al observar que las partículas alfa, pesadas y con carga positiva, a veces rebotaban. Concluyó que debían haber chocado con algo extremadamente denso y con carga positiva, lo cual es posible solo si casi toda la masa de un átomo se concentra en su centro. Había descubierto el núcleo atómico. Continuó estudiando los nucleones -protones y neutrones- que forman el núcleo y que están rodeados por capas de electrones en órbita.

Un elemento puede convertirse en otro cuando los nucleones son capturados, intercambiados o expulsados. Cuando esto ocurre en las estrellas, se llama nucleosíntesis. Rutherford se encontró con este proceso en el laboratorio a través de un resultado anómalo en una serie de experimentos de dispersión de partículas. La primera transmutación nuclear artificial hizo reaccionar nitrógeno-14 con una partícula alfa para crear oxígeno-17 y un protón. La hazaña se publicó en 1919, sembrando avances en la recién inventada cámara de niebla, descubrimientos sobre núcleos de corta vida (que constituyen el 90% de los núcleos), y experimentos que continúan hasta hoy en día como una prioridad máxima para la física.

"Hace un siglo, la primera reacción nuclear de isótopos estables fue inferida por observadores humanos que contaban los destellos de luz con un microscopio", señaló Pain, que es el "tataranieto" de Rutherford en un sentido académico: su asesor de tesis doctoral fue Wilton Catford, cuyo asesor fue Kenneth Allen, cuyo asesor fue William Burcham, cuyo asesor fue Rutherford. "Hoy en día, detectores avanzados como GODDESS nos permiten explorar, con gran sensibilidad, las reacciones de los núcleos radioactivos inestables de difícil acceso que impulsan las explosiones astrofísicas generando muchos de los elementos estables a nuestro alrededor".

Un experimento que Pain dirigió se centró en el fósforo-30. "Buscamos entender la nucleosíntesis en las explosiones nova, las explosiones estelares más comunes", dijo. Una nova ocurre en un sistema binario en el que una enana blanca atrae gravitatoriamente material rico en hidrógeno de una estrella "compañera" cercana hasta que la capa superficial de la enana blanca explota. Las cenizas de estas explosiones cambian la composición química de la galaxia.

El estudiante graduado de la Universidad de Tennessee, Rajesh Ghimire, está analizando los datos del experimento con fósforo, que transfirió un neutrón del deuterio de una diana a un haz intenso del isótopo radioactivo de corta duración fósforo-30. Los detectores de partículas y rayos gamma detectaron lo que emergió, correlacionando tiempos, lugares y energías de producción de protones y rayos gamma.

El núcleo de fósforo-30 afecta fuertemente a las proporciones de la mayoría de los elementos más pesados producidos durante una explosión nova. Si se entienden las reacciones del fósforo-30, las proporciones elementales pueden utilizarse para medir la temperatura máxima que alcanzó la nova. "Eso es algo observable que alguien con un telescopio podría ver", dijo Pain.

El segundo experimento que encabezó Pain transmutó un isótopo mucho más pesado, el telurio-134. "Este núcleo está involucrado en el proceso de captura rápida de neutrones, o proceso r, que es la forma en que la mitad de los elementos más pesados que el hierro se forman en el universo", relató Pain. Ocurre en un entorno con muchos neutrones libres, tal vez supernovas o fusiones de estrellas de neutrones. "Sabemos que ocurre, porque vemos los elementos a nuestro alrededor, pero aún no sabemos exactamente dónde y cómo sucede".

La comprensión de la nucleosíntesis de los procesos r será una actividad importante en el Centro de Haces de Isótopos Raros (FRIB), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE que está previsto que se inaugure en la Universidad Estatal de Michigan (MSU) en 2022. El FRIB permitirá descubrir isótopos raros, la astrofísica nuclear y las interacciones fundamentales, así como aplicaciones en la medicina, la seguridad nacional y la industria.

"El proceso r es una red de reacciones muy, muy complicada; muchas, muchas piezas entran en ella", enfatizó Pain. "No se puede hacer un experimento y tener la respuesta". (Fuente: NCYT Amazings)