Un equip internacional liderat per l’Institut de Física Corpuscular (IFIC), un centre mixt del Consell Superior d’Investigacions Científiques (CSIC) i la Universitat de València (UV), ha aconseguit una fita en l’exploració de l’origen de la matèria de l’univers. Aquest equip ha mesurat, per primera vegada, les propietats de desintegració de 37 nuclis atòmics extremadament rars i efímers que només existeixen durant fraccions de segon i no es troben de manera natural a la Terra. El treball, publicat a la prestigiosa revista Physical Review Letters, aporta nova informació per ajudar a resoldre un dels grans misteris de la física moderna: com es formen els elements més pesants que el ferro?

La resposta a aquest enigma apunta a fenòmens extrems com la fusió d’estrelles de neutrons, i el nou treball de l’IFIC proporciona dades crucials per desenvolupar models que descriguen aquest procés. Els 37 nuclis atòmics estudiats es troben en una regió inexplorada prop del níquel-78, una peça clau per entendre l’estructura dels nuclis atòmics pesants. Els elements més lleugers de l’univers, com l’hidrogen i l’heli, es van formar just després del Big Bang. No obstant això, els elements més pesants com la plata, l’or o l’urani es van formar en escenaris molt més extrems, com les explosions de supernoves o la fusió d’estrelles de neutrons.

L’univers com una gran fàbrica d’elements

Aquests fenòmens són molt difícils de detectar i estudiar experimentalment. Un punt d’inflexió va arribar el 2017 quan els experiments LIGO i VIRGO van detectar, per primera vegada, ones gravitatòries resultants d’una fusió entre dues estrelles de neutrons, que generen explosions conegudes com a kilonovae. En apuntar els seus telescopis cap a la regió del cel indicada, els astrònoms van observar un senyal lluminós el comportament del qual coincidia amb la teoria: la desintegració radioactiva dels elements pesants acabats de formar alimentava aquesta llum. Anàlisis posteriors van identificar elements com l’estronci, l’itri i el zirconi. Per primera vegada, es va observar la síntesi ‘en directe’ d’elements pesants en un esdeveniment còsmic.

El problema és que molts dels nuclis atòmics implicats en aquests processos no existeixen de manera estable a la Terra i només duren una fracció de segon, per la qual cosa mai s’havien estudiat... fins ara. L’equip científic internacional liderat pel Grup d’Espectroscòpia Gamma i de Neutrons de l’IFIC ha fet un avanç significatiu: ha mesurat, per primera vegada, propietats fonamentals de 37 nuclis atòmics molt exòtics, cosa que permet fer prediccions més precises sobre com es formen els elements més pesants que el ferro, com ara l’itri, el zirconi, el niobi o el molibdè—elements amb aplicacions industrials importants.

El descobriment combina la capacitat de produir nuclis exòtics a 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 de la Universitat de València col·laboren en els càlculs de nucleosíntesi, la formació d’elements.

Una producció d’un 70% més d’elements del que es pensava

Els resultats del treball, publicats recentment a Physical Review Letters, mostren que el procés de síntesi i dispersió d’elements pesants, impulsat pel vent de neutrins, produeix els nuclis mesurats en aquest estudi i ocorre en l’escàs temps abans que el sistema col·lapse en un forat negre. L’ús de les noves dades nuclears mostra un augment significatiu en la producció dels elements identificats en l’esdeveniment de 2017 comparat amb les estimacions prèvies. Les noves mesures suggereixen que aquests elements podrien formar-se en quantitats entre un 50% i un 70% més altes del que es pensava anteriorment.

Álvaro Tolosa Delgado, primer autor del treball i actualment investigador al CERN, comenta que “abans es creia que les propietats dels nuclis que hem estudiat tindrien poc impacte en les abundàncies. Això queda desmentit pel nostre treball, que apunta a la necessitat d’estendre aquest tipus de mesura a altres nuclis.” Per la seua banda, José Luis Taín, investigador del CSIC a l’IFIC i líder de l’experiment, destaca: “L’evolució de l’abundància dels elements químics a l’univers és realment complexa, amb una varietat de processos que contribueixen al resultat final. Amb la combinació d’observacions astronòmiques, experiments de física nuclear i models astrofísics, estem més prop de resoldre el trencaclosques.”

Reference:

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 beta-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