sábado, 5 de diciembre de 2009

El experimento de Rutherford en el siglo 21

Las colisiones de núcleos de helio ricos en neutrones, utilizando como objetivo el oro, muestran cómo la disposición interna de los nucleones influye en los mecanismos de reacción de fusión nuclear, responsables, entre otras cosas, de la fuerza impulsora de la evolución estelar.

Hace exactamente un siglo, en 1909, Hans Geiger y Ernest Marsden, bajo la dirección de Ernest Rutherford, realizaron un experimento que hizo época, ahora conocido como el "experimento de Rutherford" o también como el "experimento de la lámina de oro", que consistió en bombardear con un haz de partículas alfa una fina lámina de oro para observar cómo afectaba la trayectoria de esas partículas.

(Izquierda) Esquema del montaje experimental interno del haz: un detector de placa de microcanal (MCP) colocado antes de la meta y un centelleador de plástico colocado después del objetivo se utilizaron para medir el número de partículas del haz incidente. (Derecha) Vista esquemática de la instalación fuera del haz experimental: los blancos irradiados se colocaron entre dos detectores de germanio en una geometría fente a frente en un recinto blindado de plomo para medir la radiación procedente de los residuos en descomposición. Ilustración: Adaptada de Lemasson et al.

El resultado fue un extraño comportamiento de las partículas alfa (núcleos de helio compuestos por 2 protones y 2 neutrones) dispersadas por una lámina de oro. Ellos observaron una amplia distribución angular que no podía explicarse por el modelo de Thompson de un átomo consistente en "un número determinado de corpúsculos cargados negativamente, acompañados por un número igual de electricidad positiva distribuida uniformemente en toda una esfera" (el llamado "budín de pasas" de Thomson). Ernest Rutherford explicó estas observaciones proponiendo un pequeño núcleo cargado positivamente en el centro del átomo, aprovechando las primeras conclusiones sobre la estructura del núcleo atómico. Sobre la base de esta hipótesis desarrolló una fórmula que describe con precisión la dispersión elástica en colisiones ion-ion y establece el punto de partida de una larga historia de estudios de los mecanismos de reacción.

Ahora, 100 años después de los experimentos de dispersión de Geiger y Marsden, Antoine Lemasson y sus colegas de Francia, India, Polonia y de Estados Unidos informan en Physical Review Letters sobre un enfoque muy similar. Ellos usaron el núcleo 8He, muy rico en neutrones e inestable, en comparación con el 4He (partículas alfa) y el 6He como proyectiles para estudiar las colisiones en 197Au a energías en torno a la barrera de Coulomb. Sin embargo, el foco del trabajo en las instalaciones del acelerador SPIRAL en el laboratorio GANIL en Caen, Francia, no es la dispersión elástica de Rutherford, sino la fusión y la transferencia de neutrones del proyectil luminoso al objetivo pesado. Así como hicieron los investigadores a principios del siglo pasado, Lemasson et al. obtienen nueva información sobre el mecanismo de reacción guiando las colisiones y determinando el efecto túnel a través de la barrera de repulsión entre los núcleos que chocan. Y, como Rutherford, son capaces de sacar conclusiones sobre la importancia de la estructura nuclear en el proceso de reacción; en particular, para la configuración de neutrones de los núcleos de 8He muy ricos en neutrones .

En Dubna se llevó a cabo un esfuerzo por comprender la estructura de los isótopos de helio ricos en neutrones, por medio de reacciones de transferencia, con un haz de baja energía de 6He sobre un objetivo de helio. En esta medición, se observó una mejora de la sección transversal de transferencia en ángulos de dispersión hacia atrás, que sólo podía atribuirse a la transferencia de un par de neutrones. Estas observaciones fueron confirmadas por los cálculos utilizando el modelo Fermiónico de Dinámica Molecular, con la interacción Argonne V18 (así se denomina una serie de cálculos utilizados para modelar la interacción de los protones y neutrones en el núcleo del átomo). Es interesante señalar que tanto 5He como 7He tienen neutrones desapareados y no están consolidados. El dineutrón es también libre, de modo que todos los subsistemas en una representación de tres cuerpos (por ejemplo, 6He= α + n + n) se deshacen, lo cual tiene una analogía mecánica en los denominados anillos de Borromeo, presentes en el escudo de armas de una familia aristocrática de ese nombre en Italia. La eliminación de cualquiera de los anillos (o partes nucleares) hace que la estructura entera se desintegre. Es por eso que los núcleos de 6He y 8He se conocen como "los sistemas de Borromeo".

5He representa el caso de un estado casi puro de una partícula ligada a un núcleo alfa como la configuración principal. Acercándose a la línea de goteo de neutrones (límite en donde la energía de enlace eficaz se convierte en cero, produciéndose la fuga de neutrones libres) a través de toda la cadena isotópica, uno en esencia esperaría más y más neutrones en la misma capa para ser añadidos al núcleo alfa, a fin de reunir los isótopos más pesados de helio. Asumiendo esta imagen simple, se ha llevado a cabo un estudio teórico que conduce a configuraciones espaciales que también muestran, en particular, dos pares dineutrón alrededor del núcleo alfa. Sin embargo, se puede demostrar que en el caso de 7He, por ejemplo, esta imagen simplista no es válida, y una estructura más complicada tiene que ser asumida. Han sido estudiadas reacciones muy distintas en todas las energías de acceso en muchos laboratorios alrededor del mundo para develar la estructura intrínseca del 8He. El experimento de Lemasson et al. añade otra pieza de información valiosa, debido a su particular sensibilidad a la configuración espacial de neutrones.

La fusión nuclear es un proceso con muchas facetas en la física nuclear moderna. Se trata de una posible fuente para la producción de energía en las colisiones luz-ion. Es la fuerza impulsora de la evolución estelar y el mayor proceso para extender la tabla periódica en números atómicos cada vez más altos en el camino hacia la isla, largamente buscada, de la estabilidad en la región de los elementos químicos más pesados. En las colisiones de iones pesados cerca y por debajo de la barrera de Coulomb, la fusión compite con procesos como la dispersión elástica de Rutherford, y con la excitación inelástica de un nucleón -los protones y neutrones que forman el núcleo son denominadoas nucleones- transferido entre los socios de la reacción. De particular interés es el régimen de sub-barreras de energías donde la fusión está clásicamente prohibida y en las que puede realizarse únicamente a través de un túnel cuántico. En esa región en particular, los procesos que compiten se aparean a través de la interacción mutua. Esto tiene consecuencias directas para la probabilidad de fusión en función de la energía de bombardeo, que representa una herramienta sensible para estudiar la estructura de los socios de reacción y la dinámica de reacción.

En el acelerador SPIRAL, 8He (con una vida media de 119,1 ms) se produce en la fragmentación de un haz de 75-MeV/nucleón de 13C (carbono, elemento 6 de la tabla periódica). Los núcleos resultantes, ricos en neutrones, son reacelerados en un haz de iones radiactivos (RIB), pero debido a la muy baja intensidad, de 4×105 partículas por segundo, son necesarias técnicas experimentales especiales para mejorar la sensibilidad del método. Para identificar los productos de reacción, que son 199,200,201,202TI (talio, elemento 81 de la tabla periódica) para la fusión y 198,198 m,199Au (oro, elemento 79 de la tabla periódica) para la transferencia de neutrones, y para medir su vida media, Lemasson et al. empleó un método novedoso que mide los rayos gamma con y sin detección de rayos X coincidentes. La sección transversal de los valores medidos en diversas energías de bombardeo alrededor de la barrera de Coulomb se utilizan en comparación con los cálculos del modelo que tiene en cuenta los acoplamientos mutuos de los canales de reacción.

La serie isotópica de He con los dos "núcleos de Borromeo", 6,8He, ofrece características especiales, como el radio de carga más pequeño del más pesado 8He y un umbral de emisiones del nucleón que varía de 20,5 MeV a 0,9 MeV, lo que resulta en un comportamiento túnel inusual observado por Lemasson et al. La adición del par de neutrones para 8He, en comparación con6He, no aumenta la probabilidad de fusión. Para un sistema débilmente ligado, pero básicamente isotrópico, como 8He, resulta ser más fácil de transferir parte de los neutrones en exceso al objetivo que reajustar la capa exterior del sistema, abrir un "túnel" en su conjunto y fusonar. Al comparar la función de excitación de fusión de 8He con datos anteriores para 6He y 4He, Lemasson et al. obtienen una visión completa y global para el proceso de fusión de los sistemas muy bien ligados de las partículas alfa a los sistemas débilmente ligados con los muy ricos en neutrones 8He como proyectiles. De esta manera, ellos aclaran el bastante inusual comportamiento túnel y la importancia de la estructura intrínseca de un sistema cuántico compuesto de muchos cuerpos y correlaciones de apareamiento.

Con las instalaciones previstas y/o en construcción en todo el mundo para los isótopos poco comunes, los haces exóticos de neutrones, y en particular las especies ricas en neutrones, estarán disponible a las intensidades más altas. Llegar más y más lejos de los núcleos exóticos, con los estudios como los aquí descritos hasta la fecha, revelan características desconocidas de la materia nuclear, que se manifiesta en una distribución inesperada de nucleones en un núcleo y otros fenómenos de estructura exóticos. Estos resultados tienen el potencial suficente para clarificar y cambiar nuestra imagen del núcleo atómico, con consecuencias en muchos campos, como la astrofísica nuclear, hadrones y física de partículas y física atómica.



El experimento de Rutherford permitió mejorar el modelo atómico de Thomson. (Fuente: Wikipedia)

De acuerdo a los resultados que se esperaban (arriba)las partículas alfa pasan a través del modelo del pudin (Thomson) sin verse alteradas. De acuerdo a los resultados observados (abajo) una pequeña parte de las partículas son desviadas, demostrando la existencia de un volumen muy pequeño de carga positiva (Fuente: Wikipedia).

Sobre la línea de goteo de neutrones:
La línea de goteo de neutrones es el límite en donde la energía de enlace eficaz se convierte en cero, produciéndose la fuga de neutrones libres.
La energía de un neutrón en un núcleo es su energía de masa en reposo, menos una energía de enlace. Además hay una energía debido a la degeneración: por ejemplo, un neutrón con cierta energía se verá obligado a adquirir otra diferente si se llenan todos los estados de menor energía. Esto es debido a que los neutrones son fermiones y obedecen a la estadística de Fermi-Dirac. El trabajo realizado en poner estos neutrones en un nivel superior de energía produce una presión que es la presión de degeneración. Podemos ver entonces la energía de un neutrón en un núcleo como su energía de masa en reposo menos una energía de enlace efectiva, que disminuye a medida que nos vamos a niveles más altos de la energía. Finalmente, esta energía de enlace eficaz se ha convertido en cero para el mayor nivel de energía ocupado, que es la energía de Fermi, igual a la masa en reposo de un neutrón. En este punto, agregar un neutrón en el núcleo no es posibl, el neutróntendría una nueva energía de enlace eficaz negativa; esto significa que es más favorable para el neutrón que se cree fuera del núcleo. Este es el punto de goteo de neutrones.
En astrofísica, la línea de goteo de neutrones es importante en el analisis y estudio de la nucleosíntesis o de las estrellas de neutrones.

Fuente:
A 21st century Rutherford experiment. Dieter Ackermann and Haik Simon (Artículo publicado en Physics el 30 de noviembre de 2009).

Otro punto de vista:
Modern Rutherford Experiment: Tunneling of the Most Neutron-Rich Nucleus: Este es un PDF de acceso libre. Autores: A. Lemasson, A. Shrivastava, A. Navin, M. Rejmund, N. Keeley, V. Zelevinsky, S. Bhattacharyya, A. Chatterjee, G. de France, B. Jacquot, V. Nanal, R. G. Pillay, R. Raabe, y C. Schmitt
Publicado en : Phys. Rev. Lett. 103, 232701 (2009) - Noviembre 30, 2009

Más información en:
Experimento de Rutherford
Línea de goteo

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