Un experiment liderat per l’IFIC millora el coneixement sobre la formació d'elements pesants en el cosmos

Aquests nuclis, que només existeixen durant fraccions de segon i no es troben de manera natural en la Terra, exerceixen un paper fonamental en l’estudi d’un dels grans enigmes de la física moderna: com es formen els elements més pesats que el ferro. La resposta, apunta a fenòmens extrems com la fusió d'estreles de neutrons.

Se sap que els elements més lleugers –hidrogen, heli– es van formar just després del Big bang. Però per a crear elements més pesats –plata, or, urani– fan falta escenaris molt més extrems, com a explosions de supernova o la col·lisió d'estreles de neutrons.

Un punt d'inflexió va arribar en 2017, quan les col·laboracions LIGO i VIRGO van detectar per primera vegada ones gravitacionals resultants d'una fusió entre dues estreles de neutrons. En dirigir els seus telescopis a la regió del cel assenyalada, els astrònoms van observar un senyal lluminós el comportament del qual coincidia amb una predicció teòrica: la desintegració radioactiva d'elements pesants recentment formats alimentava eixa llum.

En les anàlisis posteriors es van identificar traces d'estronci, itri i zirconi. Per primera vegada, s'observava en directe la síntesi d'elements en un esdeveniment còsmic.
El problema, segons l’equip de recerca, és que molts dels nuclis atòmics que participen en aquests processos no existeixen en la Terra i duren a penes una fracció de segon, per la qual cosa mai s'havien pogut estudiar fins ara.

L'equip liderat pel Grup d'Espectroscòpia Gamma i Neutrons de l’IFIC ha aconseguit aquesta vegada un avanç significatiu: ha mesurat, per primera vegada, propietats fonamentals de 37 nuclis atòmics molt exòtics que permeten predir amb més precisió com es formen elements més pesats que el ferro, com l'itri, el zirconi, el niobi o el molibdé, amb importants aplicacions industrials.

La troballa combina la capacitat de producció de nuclis exòtics de la Instal·lació de Feixos Radioactius del Centre RIKEN-Nishina, al Japó, amb l'alta eficiència d'un detector de neutrons desenvolupat pel grup d'investigació de l’IFIC i la Universitat Politècnica de Catalunya. Altres equips de la Universitat Tècnica de Darmstadt (Alemanya) i la Universitat de València col·laboren en els càlculs de nucleosíntesi, la formació d'elements.

Fins a un 70% més d'elements del que es pensava

Els resultats del treball, publicat recentment en Physical Review Letters, mostren que el procés de síntesi i dispersió d'elements pesants alimentat pel vent de neutrins produeix els nuclis mesurats en aquest treball i ocorre en el breu lapse de temps que transcorre abans que el sistema col·lapse en un forat negre. L'ús de les noves dades nuclears mostra un increment significatiu en la producció dels elements identificats en l'esdeveniment de 2017 respecte a estimacions anteriors.

Álvaro Tolosa Delgado, primer autor del treball i actualment investigador del CERN, comenta que “existia l'opinió prèvia que les propietats dels nuclis que hem estudiat tindrien escàs impacte en les abundàncies. Això queda desmentit amb el nostre treball, que apunta a la necessitat ampliar aquest tipus de mesures a altres zones de nuclis”. Per la seua banda, José Luis Taín, investigador del CSIC en l’IFIC que lidera l'experiment, apunta: “L'evolució de l'abundància d'elements químics en l'univers és realment complexa, amb una varietat de processos contribuint al resultat final. Combinant observacions astronòmiques, experiments de física nuclear i models astrofísics estem més prop de resoldre el trencaclosques”.

Referència:

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