A novel projected shell model method for nuclear level density

En el corazón de cada átomo yace un mundo bullicioso y caótico donde los protones y neutrones se agrupan, unidos por fuerzas que desafían nuestra intuición cotidiana. Para los científicos que estudian cómo las estrellas forjan nuevos elementos o cómo los reactores nucleares generan energía, se necesita una pieza de información crítica: ¿de cuántas formas diferentes pueden estos diminutos fragmentos disponerse en diferentes niveles de energía? Este recuento, conocido como la densidad de niveles nucleares, actúa como un mapa para predecir cómo se comportarán los átomos cuando colisionan o absorben energía. Sin un mapa preciso, nuestra comprensión de las explosiones cósmicas o de la seguridad en la gestión de residuos nucleares permanece incompleta. Durante décadas, los investigadores han dependido de conjeturas estadísticas para llenar los vacíos donde las mediciones directas son imposibles, asumiendo que, a medida que la energía aumenta, el número de posibles disposiciones simplemente crece en una curva suave y predecible. Sin embargo, la verdadera estructura del núcleo atómico es mucho más compleja que un simple gas de partículas, y los detalles de cómo estas partículas se emparejan y se separan han seguido siendo un misterio en las zonas de alta energía que son difíciles de sondear.

Un equipo de investigadores de la Universidad Jiao Tong de Shanghái y la Universidad del Suroeste ha logrado desvelar una capa de este misterio aplicando un nuevo y potente método computacional a un átomo específico y bien estudiado: el disprosio-164. Este es un núcleo pesado y estable que es naturalmente deformado, lo que significa que tiene una forma más parecida a un balón de rugby que a una esfera perfecta. Los científicos utilizaron una técnica llamada modelo de capa proyectada, que trata al núcleo no como una masa suave, sino como una colección de partículas individuales que pueden emparejarse o separarse. Al construir una vasta biblioteca de posibles disposiciones —que van desde pares simples hasta grupos complejos de hasta seis pares rotos—, pudieron resolver las ecuaciones que gobiernan los estados de energía del núcleo con una precisión que antes era imposible para un sistema tan pesado. La clave de su éxito fue un avance en los algoritmos informáticos que les permitió manejar la inmensa complejidad de estas interacciones sin tener que simplificar la física.

Cuando los investigadores compararon sus resultados calculados con los datos experimentales conocidos, la coincidencia fue sorprendentemente perfecta para los niveles de energía más bajos, confirmando que su método identificaba correctamente las disposiciones específicas de partículas que ya habían sido observadas en el laboratorio. Pero fue en los rangos de energía más altos, donde el núcleo comienza a romper sus pares internos, donde el estudio reveló algo completamente nuevo. Contrario a la creencia sostenida durante mucho tiempo de que el número de estados posibles debería empezar a aumentar exponencialmente tan pronto como se rompe el primer par de partículas, los datos mostraron una pausa distintiva. En el rango de energía entre 2,3 y 4,0 millones de electronvoltios, el crecimiento de estos estados se aplanó en una meseta, creando una estructura escalonada en lugar de una pendiente suave. Esta región plana sugiere que el núcleo se resiste a cambiar su estructura inmediatamente después de que se rompe el primer par, esperando en cambio a que un segundo par se rompa simultáneamente antes de que el número de estados disponibles explote de nuevo.

Este hallazgo desafía la visión de los libros de texto estándar sobre cómo se comportan los núcleos atómicos bajo estrés. Los investigadores descubrieron que el salto repentino en el número de estados posibles no ocurre de forma gradual; en cambio, se retrasa hasta que tanto un par de neutrones como un par de protones se han roto al mismo tiempo, creando una configuración nueva y más compleja. Este retraso crea una "ventana" específica de energía donde la estructura del núcleo es inusualmente estable, una característica que podría alterar significamente cómo los científicos calculan la probabilidad de que los átomos capturen neutrones, un proceso vital para entender cómo se crean los elementos pesados en el universo. El estudio también examinó cómo se distribuye el "espín", o la velocidad de rotación, de estos estados nucleares. Mientras que las teorías antiguas sugerían que esta distribución sigue una curva suave en forma de campana en todas las energías altas, los nuevos cálculos muestran que este patrón solo emerge una vez que el núcleo alcanza un estado verdaderamente caótico a energías muy elevadas. Por debajo de ese umbral, la distribución es irregular y depende fuertemente de la forma específica en que las partículas se emparejan, demostrando que la estructura interna del núcleo deja una huella clara incluso en sus momentos más energéticos.

Las implicaciones de este trabajo se extienden más allá de corregir una curva en un gráfico. Al demostrar que el crecimiento de los estados nucleares no es un ascenso simple y continuo, sino que está marcado por escalones y pausas distintivas, el estudio sugiere que los modelos actuales utilizados en ingeniería nuclear y astrofísica pueden necesitar una revisión. Si el número de estados disponibles es menor de lo esperado en ciertos rangos de energía, los cálculos de la rapidez con la que ocurren las reacciones nucleares podrían cambiar, afectando potencialmente las predicciones para todo, desde los ciclos de vida de las estrellas hasta el diseño de futuros isótopos médicos. Los investigadores no solo encontraron un nuevo número; revelaron un ritmo oculto en la forma en que los núcleos atómicos se organizan, mostrando que incluso en los entornos más caóticos, la naturaleza sigue una lógica estructurada y paso a paso que ahora puede verse claramente por primera vez.