Un nuevo laboratorio estadounidense crea copias de átomos que no han sido registrados en la Tierra | Partículas fisicas

Desde el carbono hasta el uranio y desde el oxígeno hasta el hierro, los elementos químicos son los componentes básicos del mundo que nos rodea y del universo en general. Ahora, los físicos esperan obtener una visión sin precedentes de sus orígenes, con la apertura de una nueva instalación que creará miles de versiones extrañas e inestables de átomos que nunca antes se habían registrado en la Tierra.

Al estudiar estas versiones, conocidas como isótopos, esperan obtener nuevos conocimientos sobre las interacciones que crearon Elementos dentro de las supernovas, además de probar teorías sobre la «fuerza fuerte», una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, que unen protones y neutrones en el núcleo de un átomo. La instalación también puede producir nuevos análogos para uso médico.

Los átomos están formados por protones, neutrones y electrones. El número de protones determina el comportamiento químico de un átomo y de qué elemento es, por ejemplo, el carbono siempre tiene seis protones, el oro 79, mientras que los átomos del mismo elemento con diferente número de neutrones se denominan isótopos.

Debido a que muchos isótopos son inestables y se descomponen rápidamente, a veces en milisegundos, los científicos solo han estudiado un pequeño porcentaje de esos isótopos que se cree que existen.

«Hay 285 isótopos de elementos que se encuentran en la Tierra, pero creemos que es probable que haya 10.000 isótopos de elementos, incluso el uranio», dijo el profesor Bradley Sherrill, director científico de la Instalación de rayos de isótopos raros (FRIB) en el estado de Michigan. La universidad abrió oficialmente el 2 de mayo. «El objetivo de FRIB es proporcionar tanto acceso a este vasto panorama de otros pares como lo permita la tecnología».

Algunos de estos «isótopos raros» pueden conducir a reacciones cruciales para la formación de los elementos, por lo que al estudiarlos, los físicos esperan obtener una mejor comprensión de la historia química del universo, incluido cómo llegamos aquí.

Se cree que la gran mayoría de los elementos se originaron dentro de las supernovas, pero «en muchos casos no sabemos qué estrellas crearon qué elementos, porque estas interacciones involucran isótopos inestables, cosas que no podemos captar fácilmente», dijo el profesor. Gavin Lotay, físico nuclear de la Universidad de Surrey, que planea usar las nuevas instalaciones para investigar explosiones comunes llamadas estallidos de rayos X dentro de las estrellas de neutrones.

Otro objetivo es comprender los núcleos atómicos lo suficientemente bien como para desarrollar un modelo completo de ellos, lo que podría proporcionar nuevos conocimientos sobre el papel que desempeñan en la generación de energía para las estrellas o las reacciones que ocurren dentro de las plantas de energía nuclear.

La instalación también puede producir análogos médicamente útiles. Los médicos ya usan radioisótopos en exámenes de mascotas y algunos tipos de radioterapia, pero descubrir más isótopos podría ayudar a mejorar el diagnóstico por imágenes o proporcionar nuevas formas de encontrar y destruir tumores.

Para generar estos isótopos, FRIB acelerará un haz de núcleos atómicos a la mitad de la velocidad de la luz y lo enviará por un tubo de 450 metros, antes de estrellarlo contra un objetivo que rompe algunos de los átomos en grupos más pequeños de protones y neutrones. Luego, una serie de imanes filtrará los isótopos deseados y los dirigirá a cámaras experimentales para su posterior estudio.

“En una millonésima de segundo, podemos seleccionar un isótopo específico y enviarlo a un experimento donde [scientists] «Podríamos capturarlo y observar su decaimiento radiactivo, o podríamos usarlo para inducir otra reacción nuclear y usar esos productos de reacción para decirnos algo sobre la estructura del isótopo», dijo Sherrill.

Los primeros experimentos implicarán fabricar los isótopos más pesados ​​posibles de flúor, aluminio, magnesio y neón, y comparar las tasas de desintegración radiactiva con las predichas por los modelos actuales. «Sería una sorpresa si nuestras observaciones fueran consistentes con lo que esperábamos», dijo Cheryl. «Probablemente no estarán de acuerdo, y luego usaremos ese desacuerdo para mejorar nuestros modelos».

Aproximadamente un mes después, los investigadores de FRIB planean medir la descomposición radiactiva de los isótopos que se cree que existen dentro de las estrellas de neutrones, algunos de los objetos más densos del universo, formados cuando una estrella masiva se quedó sin combustible y colapsó, para comprender mejor su comportamiento.

«Finalmente, tenemos las herramientas para que las personas puedan hacer la investigación que han esperado 30 años para hacer», dijo Cheryl. «Es como tener un telescopio nuevo y más grande que puede ver el universo más que nunca, solo que veremos más lejos en el paisaje nuclear de lo que podíamos mirar antes. Cada vez que tienes un nuevo instrumento como ese, hay potencial para el descubrimiento».