Descubrimiento revolucionario: cómo es el nuevo tipo de oxígeno que sorprendió a los físicos

Un equipo internacional liderado por científicos de Japón combinó el uso de un potente conjunto de instrumentos con algunos conocimientos experimentales, y lograron detectar por primera vez una nueva forma de oxígeno.

Se trata del oxígeno-28, un isótopo del oxígeno con 12 neutrones adicionales en su núcleo. Los científicos llevaban tiempo prediciendo que este isótopo era inusualmente estable.

Pero las primeras observaciones del núcleo del 28 sugieren que no es así: se desintegra rápidamente tras su creación, según informaron en la revista Nature. Si los resultados pueden reproducirse, los físicos podrían tener que actualizar sus teorías sobre la estructura de los núcleos atómicos.

El hallazgo “fue una gran sorpresa”, afirmó a Science News la física Rituparna Kanungo, de la Universidad Saint Mary de Halifax, en Canadá, que no participó en el estudio. “Tenemos varias teorías de vanguardia que intentaban predecir y explicar cómo debería ser el oxígeno-28, ninguna de ellas es capaz de explicar (las observaciones)”, comentó.

Someter un sistema físico a condiciones extremas es uno de los medios más utilizados para obtener una mejor comprensión y un conocimiento más profundo de su organización y estructura. En el caso del núcleo atómico, uno de esos enfoques es investigar isótopos que tienen proporciones de neutrones a protones (N/Z) muy diferentes a las de los núcleos estables.

Bajo este procedimiento el grupo de científicos, que incluye profesionales de Hungría, Francia, Alemania y Suecia, entre otros, se toparon con una sorpresa inesperada, según relatan en el estudio. Detectaron el isótopo de oxígeno que desafía todas las expectativas sobre cómo debería comportarse; ya que el oxígeno-28 cuenta con el mayor número de neutrones jamás visto en el núcleo.

Los expertos pensaban que debería ser estable, pero se desintegra rápidamente. Esto desafía la comprensión de los científicos sobre el ‘número mágico’ de partículas en el núcleo atómico. Dentro de este núcleo, encontramos nucleones, que son partículas subatómicas compuestas por protones y neutrones. Mientras que la cantidad de protones define el número atómico de un elemento, el número de neutrones puede variar.

La mayor parte del oxígeno de la Tierra, incluido el aire que respiramos, es una “forma doblemente mágica” de oxígeno: el oxígeno-16 (es estable). Es por eso que se esperaba que el oxígeno-28 fuera el siguiente isótopo doblemente mágico. Sin embargo, los intentos anteriores de encontrarlo fracasaron.

Los elementos de diferente número de neutrones se conocen como isótopos. El oxígeno tiene 8 protones, pero puede tener diferente número de neutrones. Anteriormente, el mayor número de neutrones observados era 18, en el isótopo del oxígeno-26 (8 protones más 18 neutrones equivalen a 26 nucleones).

En una nueva observación, un equipo dirigido por el físico nuclear Yosuke Kondo del Instituto de Tecnología de Tokio, en Japón, ha encontrado dos isótopos de oxígeno que nunca antes había visto: oxígeno-27 y oxígeno-28, con 19 y 20 neutrones respectivamente.

El trabajo se realizó en la Fábrica de Haces de Isótopos Radiactivos RIKEN, una instalación de acelerador de ciclotrón diseñada para producir isótopos inestables. El equipo primero usó un haz de isótopos de calcio-48 y lo dirigió hacia un objetivo de berilio. Esto produjo átomos más ligeros, entre ellos el flúor-29, que tiene 9 protones y 20 neutrones. Después, hicieron chocar el flúor-29 con hidrógeno líquido para quitarle un protón, intentando así formar oxígeno-28.

Lograron hacerlo, pero con un giro inesperado. Los isótopos oxígeno-27 y oxígeno-28 resultaron ser inestables. En poco tiempo, se transformaron en oxígeno-24, liberando 3 o 4 neutrones en el proceso. Este comportamiento del oxígeno-28 es lo que lo hace tan intrigante.

Tanto 8 como 20 son números mágicos para protones y neutrones respectivamente, una propiedad que sugiere que el oxígeno-28 debería ser estable. La cifra total de cada uno depende de cómo cada nucleón agregado afecta la estabilidad de las cuotas de protones y neutrones llamadas capas.

Un número mágico en física nuclear es el número de nucleones que llenarán completamente una capa, y cada nueva se distingue de la anterior por una amplia brecha de energía. Un núcleo atómico con capas de protones y neutrones que contienen números mágicos de cada una se conoce como doblemente mágico y se espera que sea especialmente estable. La mayor parte del oxígeno de la Tierra, incluido el aire que respiramos, es una forma doblemente mágica de oxígeno: el oxígeno-16.

Durante mucho tiempo se esperaba que el oxígeno-28 fuera el siguiente isótopo doblemente mágico después del oxígeno-16, pero los intentos anteriores de encontrarlo fracasaron. Curiosamente, en 2009 surgió evidencia de que el oxígeno-24 podría ser doblemente mágico, lo que sugiere que 16 podría serlo. El trabajo de Kondo y sus colegas podría explicar por qué.

Sus hallazgos sugieren que la capa de neutrones no se había llenado. Esto pone en duda si 20 es o no un número mágico para los neutrones. Parece coherente con un fenómeno conocido como isla de inversión para los isótopos de neón, sodio y magnesio, donde las capas de 20 neutrones no logran cerrarse. Esto también se aplica al flúor-29 y ahora, aparentemente, al oxígeno-28.

Una mayor comprensión de la extraña capa de neutrones abierta tendrá que esperar hasta que los investigadores puedan sondear el núcleo en un estado excitado y de mayor energía. Otros métodos de formación del oxígeno-28 también podrían ser reveladores, aunque es mucho más complicado de realizar. Por ahora, los fascinantes y difíciles resultados del equipo revelan que los núcleos doblemente mágicos podrían ser mucho más complicados de lo que pensábamos.