The effect of the coupling between the neutron multiplicity and the fission competition on the evaporation residue cross sections of the $^{48}$Ca$+^{244}$Pu reaction

En la búsqueda por comprender los límites mismos de la materia, los físicos nucleares intentan constantemente construir los átomos más pesados posibles. Estos elementos superpesados no existen en la naturaleza; deben ser creados en un laboratorio chocando dos núcleos atómicos más ligeros a velocidades increíbles. Cuando colisionan, a veces se fusionan en un único núcleo masivo y altamente excitado. Esta nueva creación es inestable, como un trompo que se tambalea sobre una mesa, y debe enfriarse rápidamente para sobrevivir. Lo hace expulsando partículas diminutas, específicamente neutrones, para deshacerse de su exceso de energía. Si logra enfriarse sin partirse en dos, se convierte en un nuevo elemento más pesado. Sin embargo, las probabilidades de que esto ocurra son increíblemente escasas. El núcleo lucha constantemente una batalla entre dos fuerzas: el deseo de enfriarse mediante la expulsión de neutrones y el impulso abrumador de partirse en dos, un proceso llamado fisión. La diferencia entre la creación de un nuevo elemento y observar cómo desaparece en una fracción de segundo a menudo depende de una fracción de segundo y una cantidad mínima de energía.

Un equipo de investigadores en Uzbekistán ha dado un nuevo vistazo a cómo se desarrolla esta batalla de enfriamiento, específicamente para una reacción que crea un isótopo del elemento flerovio. Se centraron en una colisión específica: un haz de átomos de calcio-48 impactando contra un blanco de plutonio-244. Esta reacción es una de las formas más fiables que tienen actualmente los científicos para fabricar núcleos superpesados, pero predecir exactamente cuántos de estos nuevos átomos se crearán ha seguido siendo un desafío difícil. Los investigadores descubrieron que la forma estándar en que los científicos han calculado estas probabilidades durante décadas carecía de una pieza crucial del rompecabezas. Al cambiar la forma en que modelaban el proceso de enfriamiento, descubrieron que los métodos antiguos subestimaban significativamente las posibilidades de supervivencia para ciertos resultados, revelando que la relación entre cuántos neutrones se expulsan y el riesgo de que el núcleo se parta está mucho más entrelazada de lo que se pensaba anteriormente.

El estudio se centra en un momento específico en la vida de un núcleo superpesado. Después de que la colisión inicial fusiona el calcio y el plutonio, el núcleo resultante está caliente y girando. Debe deshacerse de la energía para sobrevivir. Lo hace emitiendo neutrones uno por uno. En cada uno de los pasos de este proceso de enfriamiento, el núcleo se enfrenta a una elección: puede emitir otro neutrón y vivir para ver el siguiente paso, o puede partirse y morir. En el pasado, los científicos calculaban la probabilidad de esta supervivencia tratando estas dos elecciones como eventos separados. Primero estimaban cuántos neutrones perdería probablemente el núcleo en promedio, y luego, por separado, calculaban la probabilidad de que se partiera en cada paso a lo largo de ese camino promedio. Era un método que asumía que el núcleo seguía una trayectoria única y predecible.

Esta nueva investigación desafía esa separación. Los autores argumentan que el núcleo no sigue una trayectoria promedio única. En cambio, cada núcleo en el experimento sigue su propio camino único, perdiendo diferentes cantidades de energía en diferentes momentos. Algunos núcleos pierden energía rápidamente y se enfrían temprano; otros permanecen calientes durante más tiempo. El riesgo de partirse es mayor cuando el núcleo está caliente. Por lo tanto, los núcleos que sobreviven lo suficiente como para emitir varios neutrones no son los núcleos calientes "promedio"; son aquellos que, por suerte, se mantuvieron más fríos. Al tratar el número de neutrones y el riesgo de fisión como independientes, el viejo método perdió este sutil efecto de filtrado. Asumía que los sobrevivientes estaban tan calientes como el promedio, cuando en realidad, los sobrevivientes eran los afortunados, más fríos.

Para probar esta idea, los investigadores construyeron un nuevo modelo computacional que rastrea toda la población de núcleos, no solo un promedio. Simularon la colisión y siguieron a miles de núcleos individuales mientras se enfriaban, permitiendo que cada uno tomara sus propias decisiones sobre si emitir un neutrón o partirse. Este enfoque "acoplado" significaba que el número de neutrones emitidos y la competencia con la fisión se determinaban simultáneamente para cada núcleo basándose en su energía real en ese momento. Los resultados fueron impactantes. Para la reacción específica que estudiaron, el nuevo método mostró que la probabilidad de crear un tipo específico de átomo de flerovio (formado por la emisión de tres neutrones) era mucho mayor de lo que predecía el método antiguo. En ciertos niveles de energía, el nuevo cálculo mostró una probabilidad de supervivencia diecisiete a veinticuatro veces mayor que la estimación tradicional.

Esta enorme diferencia no significaba que el número total de átomos creados fuera incorrecto, sino que la distribución de los diferentes tipos de átomos sí lo era. El método antiguo no solo estaba equivocado por un poco; estaba juzgando mal la fuerza relativa de los diferentes resultados. Subestimaba la probabilidad del resultado de tres neutrones mientras que tenía un efecto mucho menor en el resultado de cuatro neutrones. Esto sugiere que el acoplamiento entre el enfriamiento y la fisión es la clave para entender por qué algunas reacciones producen más de un isótopo que otro. Los investigadores también descubrieron que la altura exacta de la barrera de energía que mantiene unido al núcleo es crítica. Probaron dos formas diferentes de calcular esta barrera, que diferían por menos de un millón de electronvoltios —una cantidad minúscula en el mundo de la física nuclear—. Sin embargo, esta diminuta diferencia cambió la probabilidad de supervivencia predicha en más de diez veces. Esto resalta que, si bien el nuevo método de rastrear el proceso de enfriamiento es una mejora importante, la mayor incertidumbre restante reside en conocer la fuerza precisa de las fuerzas que mantienen unidos a estos núcleos superpesados.

El equipo comparó sus nuevos cálculos con datos experimentales reales recolectados durante las últimas dos décadas de laboratorios en Rusia, Alemania y Estados Unidos. Su nuevo modelo, que tiene en cuenta la naturaleza vinculada del enfriamiento y la fisión, logró reproducir ocho de los catorce puntos de datos medidos dentro de un factor de dos. Este es un avance significativo en la precisión para un sistema tan complejo. Aunque el modelo todavía tuvo dificultades para coincidir perfectamente con los datos en el borde ascendente de la curva de energía y en energías muy altas, proporcionó una imagen mucho más clara del proceso que los intentos anteriores. El trabajo demuestra que para predecir realmente la creación de elementos superpesados, los científicos deben dejar de tratar el proceso de enfriamiento como un promedio lineal simple y empezar a contabilizar los complejos viajes individuales de cada núcleo.

En última instancia, este estudio no solo refina un número; cambia la comprensión del mecanismo mismo. Demuestra que la supervivencia de un núcleo superpeso no es una cuestión de estadísticas simples aplicadas a un camino promedio, sino un complejo proceso de filtrado donde los sobrevivientes son un subconjunto específico y más frío de la población original. Los investigadores concluyen que, si bien su nuevo método es una herramienta poderosa, el camino a seguir requiere un conocimiento aún más preciso de las fuerzas nucleares en juego. Hasta que se conozca con mayor certeza la fuerza exacta de la barrera de fisión, las predicciones de cuántos nuevos elementos se pueden crear seguirán limitadas, sin importar cuán sofisticado sea el modelo computacional. El trabajo sirve como un recordatorio de que en el mundo subatómico, los detalles de cómo suceden las cosas son tan importantes como el resultado final.