Estos núcleos, que solo existen durante fracciones de segundo y no se encuentran de forma natural en la Tierra, desempeñan un papel fundamental en uno de los grandes enigmas de la física moderna: cómo se forman los elementos más pesados que el hierro. La respuesta, apunta a fenómenos extremos como la fusión de estrellas de neutrones.

Se sabe que los elementos más ligeros –hidrógeno, helio– se formaron justo después del Big Bang. Pero para crear elementos más pesados –plata, oro, uranio– hacen falta escenarios mucho más extremos, como explosiones de supernova o la colisión de estrellas de neutrones.

Un punto de inflexión llegó en 2017, cuando las colaboraciones LIGO y VIRGO detectaron por primera vez ondas gravitacionales resultantes de una fusión entre dos estrellas de neutrones. Al dirigir sus telescopios a la región del cielo señalada, los astrónomos observaron una señal luminosa cuyo comportamiento coincidía con una predicción teórica: la desintegración radiactiva de elementos pesados recién formados alimentaba esa luz. En los análisis posteriores se identificaron trazas de estroncio, itrio y zirconio. Por primera vez, se observaba en directo la síntesis de elementos en un evento cósmico.

El problema es que muchos de los núcleos atómicos que participan en estos procesos no existen en la Tierra y duran apenas una fracción de segundo, por lo que nunca se habían podido estudiar hasta ahora.

El equipo liderado por el Grupo de Espectroscopia Gamma y Neutrones del IFIC ha conseguido esta vez un avance significativo: ha medido, por primera vez, propiedades fundamentales de 37 núcleos atómicos muy exóticos que permiten predecir con más precisión cómo se forman elementos más pesados que el hierro, como el itrio, el circonio, el niobio o el molibdeno, con importantes aplicaciones industriales.

El hallazgo combina la capacidad de producción de núcleos exóticos de la Instalación de Haces Radioactivos del Centro RIKEN-Nishina, en Japón, con la alta eficiencia de un detector de neutrones desarrollado por el grupo de investigación del IFIC y la Universitat Politècnica de Cataluña. Otros equipos de la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania) y la Universitat de València colaboran en los cálculos de nucleosíntesis, la formación de elementos.

Hasta un 70% más de elementos de lo que se pensaba

Los resultados del trabajo, publicado recientemente en Physical Review Letters, muestran que el proceso de síntesis y dispersión de elementos pesados alimentado por el viento de neutrinos produce los núcleos medidos en este trabajo y ocurre en el breve lapso de tiempo que transcurre antes de que el sistema colapse en un agujero negro. El uso de los nuevos datos nucleares muestra un incremento significativo en la producción de los elementos identificados en el evento de 2017 respecto a estimaciones anteriores.

Álvaro Tolosa Delgado, primer autor del trabajo y actualmente investigador del CERN, comenta que “existía la opinión previa de que las propiedades de los núcleos que hemos estudiado tendrían escaso impacto en las abundancias. Esto queda desmentido con nuestro trabajo, que apunta a la necesidad ampliar este tipo de medidas a otras zonas de núcleos”. Por su parte, José Luis Taín, investigador del CSIC en el IFIC que lidera el experimento, apunta: “la evolución de la abundancia de elementos químicos en el universo es realmente compleja, con una variedad de procesos contribuyendo al resultado final. Combinando observaciones astronómicas, experimentos de física nuclear y modelos astrofísicos estamos más cerca de resolver el rompecabezas”.

Referencia:

A. Tolosa-Delgado, J. L. Tain, M. Reichert, A. Arcones, M. Eichler, B. C. Rasco, N. T. Brewer, K. P. Rykaczewski, R. Yokoyama et al. Impact of Newly Measured 𝛽-Delayed Neutron Emitters around 78Ni on Light Element Nucleosynthesis in the Neutrino Wind Following a Neutron Star Merger. Phys. Rev. Lett. 134, 172701. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.172701