Científicos de la Universidad Estatal de Michigan (MSU), en colaboración con un equipo internacional de investigadores, han ayudado a crear el isótopo de magnesio más ligero del mundo hasta la fecha, según un nuevo estudio.
Este isótopo, forjado en el Laboratorio Nacional de Ciclotrones Superconductores (NSCL) de la Universidad Estatal de Michigan, es tan inestable que se descompone antes de que los científicos puedan medirlo directamente. Sin embargo, este isótopo, que no tiene muchas ganas de existir, podría ayudar a los investigadores a comprender mejor cómo se forman los átomos que definen nuestra existencia.
Dirigido por investigadores de la Universidad de Pekín, el equipo incluye científicos de la Universidad de Washington en St. Louis, MSU y otras instituciones.
“Una de las grandes preguntas que me interesan es de dónde provienen los elementos del universo”, dijo Kyle Brown, profesor asociado de química en Rare Isotope Beam Facility (FRIB). Brown es uno de los líderes del nuevo estudio, que se publicará en línea el 22 de diciembre de 2021 en la revista Physical Review Letters.
“¿Cómo surgieron estos elementos? ¿Cómo ocurrieron estos procesos?”, preguntó Brown. El nuevo isótopo no responderá estas preguntas por sí solo, pero podría ayudar a refinar las teorías y los modelos que los científicos han desarrollado para explicar estos misterios.
La Tierra está llena de magnesio natural, que fue emitido en las estrellas hace mucho tiempo y luego se convirtió en un componente clave de nuestra dieta y un mineral en la corteza terrestre. Pero este magnesio es estable. Su núcleo atómico, o núcleo, no se deshace.
Sin embargo, los nuevos isótopos de magnesio son demasiado inestables para encontrarse en la naturaleza. Pero al usar aceleradores de partículas para crear isótopos cada vez más exóticos como este, los científicos pueden ampliar los límites de los modelos que ayudan a explicar cómo se construyen y se mantienen unidos todos los núcleos atómicos. Esto, a su vez, ayuda a predecir lo que sucede en entornos cósmicos extremos que los investigadores tal vez nunca puedan imitar o medir directamente en la Tierra.
“Al probar estos modelos y mejorarlos, podemos inferir cómo funcionan las cosas en lugares que no podemos medir”, dijo Brown. “Estamos midiendo lo que podemos medir para predecir lo que no podemos medir”.
Desde 1982, NSCL ha ayudado a científicos de todo el mundo a aprender más sobre el universo. FRIB continuará con esta tradición cuando comiencen los experimentos en 2022. FRIB es una oficina de ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., o instalación de usuario DOE-SC, que apoya las misiones de la Oficina de Física Nuclear del DOE-SC.
“FRIB medirá muchas cosas que no podíamos medir en el pasado”, dijo Brown. “De hecho, tenemos un experimento aprobado que se ejecutará en FRIB. Y deberíamos poder crear otro núcleo que no se haya hecho antes”.
Antes de pasar a ese experimento futuro, Brown había trabajado en cuatro proyectos diferentes que crearon nuevos isótopos. Esto incluye el más nuevo, conocido como magnesio-18.
Todos los átomos de magnesio tienen 12 protones en su núcleo. Anteriormente, el magnesio más liviano tenía siete neutrones, lo que le daba un total de 19 protones y neutrones, de ahí el nombre de magnesio-19.
Para hacer el magnesio-18 aligerado por un neutrón, el equipo comenzó con una versión estable de magnesio-24. El ciclotrón de NSCL acelera un haz de núcleos de magnesio-24 a aproximadamente la mitad de la velocidad de la luz y dispara el haz hacia un objetivo, una hoja de metal hecha del elemento berilio. Y este es solo el primer paso.
“Esa colisión te dio un montón de isótopos diferentes que eran más ligeros que el magnesio 24. Pero, a partir de esta ‘sopa’, pudimos elegir qué isótopos queríamos”.
En este caso, ese isótopo es magnesio-20. Esta versión es inestable, lo que significa que decae, generalmente en una décima de segundo. Entonces, el equipo está cronometrando el magnesio-20 para que choque con otro objetivo de berilio a unos 30 metros o 100 pies de distancia.
“Pero está volando a la mitad de la velocidad de la luz”, dijo Brown. “Puede llegar allí muy rápidamente”.
Es esta próxima colisión la que produce magnesio-18, que tiene una vida útil de alrededor de seis milmillonésimas de segundo. Es tan poco tiempo que el magnesio-18 no se enmascara con electrones antes de dispersarse en un átomo completo. Existe sólo como un núcleo desnudo.
De hecho, en tan poco tiempo, el magnesio-18 nunca abandonó el objetivo de berilio. El nuevo isótopo se desintegra dentro del objetivo. Eso significa que los científicos no pueden examinar el isótopo directamente, pero pueden identificar indicios de su descomposición. El magnesio-18 primero expulsa dos protones de su núcleo, convirtiéndose en neón-16, y luego dos protones más, convirtiéndose en oxígeno-14. Al analizar los protones y el oxígeno que escaparon del objetivo, el equipo pudo deducir las propiedades del magnesio-18.
“Fue un esfuerzo de equipo. Todos trabajaron muy duro en este proyecto”, dijo Brown. “Es bastante emocionante. No todos los días la gente descubre un nuevo isótopo”.
Cada año, los científicos agregan nuevas entradas a la lista de isótopos conocidos, que se cuentan por miles. “Estamos agregando gotitas a un balde, pero son gotitas importantes”, dijo Brown. “Podemos poner nuestro nombre en esto, todo el equipo puede hacerlo. Y puedo decirles a mis padres que ayudé a encontrar a esta otra persona. núcleo nunca antes visto”.
