Hay un grupo de isótopos pesados —los llamados p-nuclei— cuya existencia lleva más de seis décadas desconcertando a los astrofísicos: son demasiado ricos en protones para haberse formado por los mecanismos que explican el origen de casi todos los demás elementos.
Ahora, un equipo internacional ha logrado reproducir por primera vez en laboratorio una de las reacciones nucleares clave que los genera. Para ello, utilizaron un haz del isótopo radiactivo arsénico-73, extraordinariamente difícil de producir. Los resultados mejoran los modelos existentes, pero también revelan que la historia está lejos de cerrarse.
La primera medición directa de una reacción estelar
El hito lo protagonizó Artemis Tsantiri, entonces estudiante de doctorado en el FRIB (Facility for Rare Isotope Beams) de la Universidad Estatal de Michigan. Por primera vez, su equipo midió directamente cómo el arsénico-73 captura un protón para formar selenio-74, el p-núcleo más ligero conocido. El resultado establece nuevos límites sobre cómo se crea y destruye este isótopo en el espacio.
El trabajo, publicado en Physical Review Letters, reunió a más de 45 científicos de 20 instituciones repartidas entre Estados Unidos, Canadá y Europa. Una colaboración de esa envergadura habla por sí sola, tanto de la dificultad técnica del experimento como de la relevancia del problema que intenta resolver.
El enigma de los p-nuclei: elementos que no deberían existir
La mayoría de los elementos más pesados que el hierro se forman mediante procesos de captura de neutrones —el proceso lento (s) y el rápido (r)—, en los que los núcleos absorben neutrones sucesivamente hasta alcanzar formas estables. Existe, sin embargo, un grupo de isótopos ricos en protones que no encajan en ese esquema: los p-nuclei. Su origen ha sido un misterio durante más de seis décadas, porque ninguno de los mecanismos habituales de nucleosíntesis logra explicar su abundancia.
Estos isótopos abarcan desde el selenio-74, el más ligero, hasta el mercurio-196, el más pesado.
La hipótesis más aceptada apunta al llamado proceso gamma, que ocurre en ciertos tipos de explosiones de supernova. En esos entornos extremos, los rayos gamma arrancan neutrones de núcleos pesados preexistentes. Los núcleos resultantes, con exceso de protones, evolucionan hacia configuraciones más estables y dan lugar, con el tiempo, a los p-nuclei.
Cómo se recreó una explosión estelar en el laboratorio
Para reproducir esa reacción en la Tierra, el equipo generó un haz de arsénico-73 radiactivo usando el acelerador ReA del FRIB en una configuración independiente, sin recurrir al acelerador lineal principal. Esa flexibilidad operativa es una de las características que hace al FRIB especialmente valioso para este tipo de estudios.
El haz se dirigió a una cámara llena de hidrógeno gaseoso —fuente de protones— situada en el centro del detector SuN (Summing NaI). Cuando el arsénico-73 absorbía un protón, se formaba selenio-74 en estado excitado, que luego emitía un rayo gamma al estabilizarse. Un papel esencial lo desempeñó el grupo de radioquímica liderado por Katharina Domnanich, encargado de preparar el material isotópico en una forma utilizable para el experimento.
El isótopo fue ionizado, acelerado y entregado al blanco mediante una fuente de iones en modo discontinuo, lo que demostró la versatilidad del FRIB para trabajar con isótopos raros y de vida corta.
Resultados: la incertidumbre se reduce a la mitad, pero surgen nuevas preguntas
Al incorporar las mediciones al modelo astrofísico, los investigadores lograron reducir en un 50 % la incertidumbre en la abundancia predicha de selenio-74. Es un avance considerable. Hasta ahora, los científicos dependían casi por completo de estimaciones teóricas para este tipo de reacciones, sin apenas datos experimentales directos con qué contrastarlas.
Los modelos actualizados, con todo, aún no coinciden plenamente con las abundancias observadas en el sistema solar. Esa discrepancia no invalida el experimento; al contrario, sugiere que las condiciones asumidas en el interior de las supernovas podrían necesitar revisión. Hay física que los modelos actuales todavía no capturan.
Un paso adelante en un rompecabezas de seis décadas
«Aunque el origen de los p-nuclei ha sido objeto de estudio durante más de 60 años, las mediciones directas de reacciones importantes con isótopos de vida corta son prácticamente inexistentes», señaló Tsantiri. «Experimentos de este tipo solo son posibles ahora gracias a instalaciones como el FRIB».
Artemis Spyrou, profesora de física en el FRIB y tutora de Tsantiri, subrayó el valor de las colaboraciones multidisciplinares que hicieron posible el resultado. «Estos hallazgos nos acercan un paso más a comprender el origen de algunos de los isótopos más raros del universo», afirmó.
Lo que viene a continuación es igualmente ambicioso. Quedan por medir docenas de reacciones similares que involucran otros p-nuclei a lo largo de la cadena que va del selenio al mercurio. Cada medición directa reducirá la dependencia de los modelos teóricos y afinará la imagen de lo que ocurre en el interior de una supernova. El FRIB, con su capacidad para producir isótopos raros y de vida corta, está llamado a ser el escenario de esos próximos pasos. La historia de los elementos más esquivos del universo empieza, por fin, a contarse con datos reales.