En un estudio que combina el trabajo experimental y los cálculos teóricos posibles gracias a las supercomputadoras, los científicos han determinado la geometría nuclear de dos isótopos de boro. El resultado podría ayudar a abrir un camino hacia cálculos precisos de la estructura de otros núcleos que los científicos podrían validar experimentalmente.
Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE, en colaboración con científicos en Alemania y Polonia, determinaron la diferencia en una cantidad conocida como radio de carga nuclear entre el boro-10 y el boro-11. El radio de carga nuclearindica el tamaño de un núcleo atómico, que a menudo tiene bordes relativamente indistintos.
Los radios de carga nuclear son difíciles de calcular con alta precisión para átomos mucho más grandes que el boro debido a la gran cantidad de neutrones y protones cuyas propiedades e interacciones deben derivarse de la mecánica cuántica.
La teoría nuclear se basa en la cromodinámica cuántica QCD, un conjunto de reglas físicas que se aplican a los quarks y gluones que componen los protones y neutrones dentro del núcleo. Pero tratar de resolver la dinámica nuclear usando QCD solo sería una tarea casi imposible debidodebido a su complejidad, y los investigadores deben confiar en al menos algunos supuestos simplificadores.
Debido a que el boro es relativamente ligero, con solo cinco protones y un puñado de neutrones, el equipo pudo modelar con éxito los dos isótopos de boro en la supercomputadora Mira y estudiarlos experimentalmente mediante espectroscopía láser. Mira es parte del Liderazgo ArgonneComputing Facility ALCF, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE.
"Este es uno de los núcleos atómicos más complicados para el cual es posible llegar a estas mediciones precisas experimentalmente y derivarlas teóricamente", dijo el físico nuclear de Argonne Peter Mueller, quien ayudó a dirigir el estudio.
Mirando cómo las configuraciones nucleares de boro-11 11 B y boro-10 10 B difería involucrando hacer determinaciones a escalas de longitud extraordinariamente pequeñas: menos de un femómetro - una cuadrillonésima parte de un metro.En un hallazgo contraintuitivo, los investigadores determinaron que los 11 nucleones en boro-11 en realidad ocupan un volumen menor que los 10 nucleones en boro-10.
Para observar experimentalmente los isótopos de boro, los científicos de la Universidad de Darmstadt realizaron una espectroscopía láser en muestras de los isótopos, que fluorescen a diferentes frecuencias. Si bien la mayor parte de la diferencia en los patrones de fluorescencia es causada por la diferencia en la masa entreisótopos, hay un componente en la medición que refleja el tamaño del núcleo, explicó el físico de Argonne Robert Wiringa.
Para separar estos componentes, los colaboradores de la Universidad de Varsovia y la Universidad Adam Mickiewicz en Poznan realizaron cálculos de teoría atómica de vanguardia que describen con precisión la complicada danza de los cinco electrones alrededor del núcleo en el átomo de boro.
"Los experimentos de dispersión de electrones anteriores no podían decir con certeza cuál era más grande", dijo Wiringa. "Al usar esta técnica de espectroscopía láser, podemos ver con certeza cómo el neutrón adicional se une al boro-11 más de cerca".
El buen acuerdo entre el experimento y la teoría para las dimensiones del núcleo permite a los investigadores determinar otras propiedades de un isótopo, como su tasa de desintegración beta, con mayor confianza. "La capacidad de realizar cálculos y experimentos van de la manomano para validar y reforzar nuestros hallazgos ", dijo Mueller.
La próxima etapa de la investigación probablemente involucrará el estudio del boro-8, que es inestable y solo tiene una vida media de aproximadamente un segundo antes de que se descomponga. Debido a que hay menos neutrones en el núcleo, es mucho menos estrictoMueller dijo que "hay una predicción, pero solo un experimento nos dirá qué tan bien realmente modela este sistema débilmente ligado", explicó.
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Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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