Investigadores del grupo de colaboración A1 del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU), en colaboración con científicos de China y Japón, han preparado con éxito hidrógeno-6, uno de los isótopos más ricos en neutrones, utilizando por primera vez la dispersión de electrones. El experimento, llevado a cabo en las instalaciones de espectrómetro del Microacelerador de Maguncia (MAMI), proporciona un nuevo método para estudiar núcleos ligeros ricos en neutrones.Estos hallazgos proporcionan nuevos conocimientos y plantean desafíos importantes a los modelos existentes de interacciones multinucleónicas.

"Esta medición fue posible gracias a la combinación única de la excelente calidad del haz de electrones MAMI y los tres espectrómetros de alta resolución de la colaboración A1", destaca el profesor Josef Pochodzalla del Instituto de Física Nuclear de la Universidad Guggenheim de Japón. En el experimento participaron investigadores de la Universidad Fudan en Shanghai, China, y la Universidad Tohoku en Sendai y la Universidad de Tokio en Japón.

El trabajo experimental fue dirigido por el estudiante de doctorado Shao Tianhao y ha sido publicado en Physical Review Letters.

Límites estructurales nucleares de sistemas extremadamente ricos en neutrones

Una de las cuestiones más fundamentales de la física nuclear es cuántos neutrones se pueden combinar en un núcleo atómico y cuál es el número de protones. Para el isótopo básico hidrógeno, que contiene sólo un protón, además de los conocidos núcleos de deuterones y tritio, también se han observado varios isótopos ricos en neutrones, que van desde ⁴H hasta ⁷H.

Para detectar ⁶H se utiliza la instalación de tres espectrómetros de alta resolución en la sala experimental A1. Crédito de la foto: Ryoko Kino, Josef Pochodzalla

Los isótopos de hidrógeno extremadamente pesados ​​⁶H (compuestos por un protón y cinco neutrones) y ⁷H (un neutrón más) tienen las proporciones neutrones-protones más altas conocidas hasta la fecha. Son un sistema único que responde a esta pregunta. Sin embargo, los datos experimentales sobre estos núcleos exóticos son escasos y los resultados siguen siendo controvertidos. En particular, ha habido controversia sobre si la energía del estado fundamental del ⁶H es alta o baja.

La colaboración A1, en colaboración con científicos de China y Japón, ha desarrollado un nuevo método para producir ⁶H. En este método, un haz de electrones con una energía de 855 megaelectronvoltios (MeV) incide en un objetivo de ⁷Li, produciendo ⁶H mediante un proceso de dos pasos: primero, los protones en el núcleo de litio se excitan resonantemente debido a su interacción con los electrones y se desintegran rápidamente en neutrones y piones con carga positiva.

Si luego el neutrón transfiere energía a otro protón en el núcleo, puede unirse al núcleo restante para formar el isótopo de hidrógeno rico en neutrones ⁶H. Los piones y los protones abandonan el núcleo y pueden detectarse simultáneamente con los electrones dispersos mediante tres espectrómetros magnéticos. Para lograr un rendimiento suficiente para este raro proceso, el haz de electrones pasa a lo largo de un lado a través de una placa de litio de 45 mm de largo y 0,75 mm de espesor. Esto es muy raro porque los experimentos de dispersión de electrones suelen utilizar objetivos que son muy delgados a lo largo del eje del haz, lo que permite que el haz de electrones incida en una superficie amplia perpendicular a su dirección de propagación.

Este dispositivo en particular se beneficia de la excelente calidad del haz de MAMI, especialmente de su haz de electrones estable y altamente enfocado. Otro desafío es manipular el litio en sí, ya que el material es extremadamente reactivo químicamente, mecánicamente frágil y sensible a la temperatura.

Durante la campaña de medición de cuatro semanas, como se esperaba, se observó aproximadamente un evento por día. En uno de los raros experimentos de MAMI, tres espectrómetros de alta resolución en la sala experimental A1 funcionan simultáneamente en modo de coincidencia, lo que permite detectar tres partículas simultáneamente. Este sofisticado dispositivo logra una precisión sin precedentes manteniendo un ruido de fondo extremadamente bajo.

Las nuevas mediciones proporcionan una señal clara para ⁶H, que tiene una energía de estado fundamental extremadamente baja, lo que indica que la interacción entre neutrones en 6H es más fuerte de lo esperado según cálculos teóricos recientes. Este resultado desafía nuestra comprensión de las interacciones multinucleones en sistemas con una abundancia de neutrones extremadamente alta.

Compilado de /ScitechDaily