Evolution of high-spin states in neutron-rich $^{195-202}$Au isotopes approaching the $N=126$ shell closure

En lo más profundo del corazón de cada átomo se encuentra un núcleo, un cúmulo denso de protones y neutrones mantenidos unidos por fuerzas que desafían nuestra intuición cotidiana. Durante décadas, los físicos han mapeado el paisaje de estos núcleos, descubriendo que no son montones aleatorios de partículas, sino estructuras altamente organizadas con niveles de energía distintos, muy parecidos a los peldaños de una escalera. Ciertos números de protones o neutrones crean configuraciones particularmente estables, conocidas como "números mágicos", que actúan como el lecho de roca sólido del mundo nuclear. Uno de estos lechos de roca se encuentra en el elemento plomo, específicamente en el isótopo con 82 protones y 126 neutrones, un núcleo doblemente mágico que sirve como un punto de referencia crucial para comprender cómo se comporta la materia cuando se lleva al límite. Justo a la izquierda de esta isla de estabilidad, en la región del oro, los científicos están interesados en lo que sucede cuando se añaden neutrones en grandes cantidades. Estos isótopos de oro ricos en neutrones son raros y difíciles de crear, pero poseen la clave para comprender cómo se forjan los elementos pesados en las violentas explosiones de las estrellas y cómo se ensamblan los átomos más masivos del universo.

Un equipo de investigadores dirigió recientemente su atención hacia esta región elusiva, centrándose en una serie de isótopos de oro que van desde la masa 195 hasta la 202. Estas versiones específicas de oro son ricas en neutrones, lo que significa que portan más neutrones que el oro estable que se encuentra en la joyería, y se sitúan justo antes del cierre de la capa de 126 neutrones. Los científicos querían ver cómo cambia la estructura interna de estos átomos a medida que se acercan a ese número mágico. Específicamente, buscaban estados de alta energía donde el núcleo gira rápidamente, una condición que revela cómo se organizan e interactúan los protones y neutrones individuales. Al estudiar estos estados de rotación, el equipo esperaba poner a prueba los modelos teóricos que predicen cómo se comportan los núcleos atómicos y refinar nuestra comprensión de las fuerzas que los mantienen unidos.

Para vislumbrar estos átomos fugaces y ricos en neutrones, los investigadores tuvieron que crearlos en un entorno controlado. Utilizaron un potente acelerador de partículas para disparar un haz de iones de xenón pesado contra un blanco hecho de platino. Cuando estos dos núcleos pesados colisionaron, no simplemente rebotaron entre sí; en su lugar, intercambiaron un enjambre de protones y neutrones en un proceso conocido como transferencia multinucleónica. Esta colisión actuó como un intercambio de alta velocidad, intercambiando piezas entre los dos átomos para crear nuevos isótopos de oro inestables que no existen naturalmente en la Tierra. El experimento tuvo lugar en una instalación en Francia, donde un sofisticado conjunto de detectores estaba listo para capturar las consecuencias inmediatas de estas colisiones. La configuración incluía un gran espectrómetro magnético para clasificar los fragmentos resultantes por su masa y carga, y una cámara de rayos gamma de alta precisión para registrar la luz emitida mientras los nuevos átomos se asentaban desde sus estados excitados.

El equipo identificó y estudió con éxito ocho isótopos de oro diferentes, desde el 195 hasta el 202. Para los isótopos de número impar, observaron un patrón familiar: un estado específico donde el núcleo gira a un ritmo moderado, seguido de una serie de estados de mayor rotación que forman una banda. Sin embargo, descubrieron algo inesperado cuando observaron los isótopos más pesados, específicamente aquellos con exactamente 119 neutrones. En estos átomos, los niveles de energía de los estados de rotación descendieron significativamente más bajo de lo que predice la tendencia suave de las teorías existentes. Era como si la escalera de energía tuviera un repentino hundimiento en un peldaño específico, una característica que apareció consistentemente tanto en los isótopos de oro como en sus primos de mercurio vecinos. Este descenso sugiere un cambio sutil pero importante en la estructura interna del núcleo en este recuento específico de neutrones, un detalle que los modelos informáticos actuales no logran reproducir.

Los investigadores también encontraron nuevos estados de larga duración en los isótopos de oro más pesados, 199 y 201. Estos estados, que el equipo identificó con un espín de 25/2, actuaron como puntos de retención temporales antes de que el núcleo liberara su energía. En los isótopos de oro más ligeros, estados similares decaían casi instantáneamente, pero en estas versiones más pesadas, persistían durante fracciones de milisegundo. Esta diferencia de comportamiento proporcionó una señal clara de que la disposición de protones y neutrones estaba cambiando a medida que el núcleo se volvía más pesado. Además, el equipo notó que un tipo específico de patrón de rotación, que se había visto en isótopos de oro más ligeros, desapareció por completo en los más pesados. Esta desaparición no fue un misterio sino una confirmación de la teoría; a medida que el número de neutrones aumentaba, la energía necesaria para mantener ese patrón específico se volvía demasiado alta, desplazándolo efectivamente fuera del rango observable.

Para dar sentido a estas observaciones, los científicos realizaron simulaciones computacionales masivas basadas en el modelo de capas, una teoría que trata a los protones y neutrones como objetos que se mueven en órbitas específicas dentro del núcleo. Las simulaciones coincidieron generalmente con los datos experimentales, confirmando que los estados de alto espín son impulsados por el movimiento de protones y neutrones en órbitas de alta energía específicas. Los cálculos mostraron que, a medida que el núcleo gira más rápido, los protones y neutrones alinean sus espines de manera coordinada, contribuyendo a la rotación general. Sin embargo, las simulaciones tuvieron dificultades para explicar la caída repentina en los niveles de energía con 119 neutrones. Aunque los modelos podían predecir la tendencia general, pasaron por alto este descenso específico, indicando que hay una pieza del rompecabezas sobre cómo interactúan estas partículas en este punto preciso que aún falta.

El estudio también arrojó luz sobre los roles desempeñados por los protones y los neutrones en la creación de estos estados de alto espín. En los isótopos de oro más ligeros, los protones eran los principales impulsores del espín, contribuyendo con una cantidad constante de momento angular. Pero a medida que los isótopos se volvían más pesados y se acercaban al límite de los 126 neutrones, los neutrones comenzaron a tomar el control. En los isótopos de oro más pesados estudiados, los neutrones contribuyeron más al espín que los protones, marcando un cambio distintivo en la dinámica nuclear. Este cruce de poder sugiere que el equilibrio de fuerzas dentro del núcleo cambia a medida que se llena de neutrones, alterando cómo se comporta el átomo bajo condiciones extremas.

En última instancia, este trabajo proporciona una imagen más clara del paisaje nuclear cerca del borde de la estabilidad. Al mapear los niveles de energía y los estados de espín de estos raros isótopos de oro, los investigadores han proporcionado una prueba rigurosa para las teorías que describen cómo se construyen los núcleos atómicos. El descubrimiento del descenso de energía a los 119 neutrones y el cambio en las contribuciones de espín ofrece nuevas pistas sobre las fuerzas en juego dentro del átomo. Si bien los modelos actuales explican gran parte de lo observado, el descenso inexplicable sigue siendo una pregunta abierta que invita a una mayor investigación. Esta investigación no solo profundiza nuestra comprensión del propio átomo de oro, sino que también refina las herramientas que los científicos utilizan para rastrear los orígenes de los elementos pesados en el cosmos, acercándonos un paso más a la comprensión de la arquitectura fundamental de la materia.