Patrick Passmore

Un núcleo atómico estado fundamental puede ser algo así como un cuadro negro, ocultando los detalles sutiles acerca de su estructura detrás de la interacción total de los protones y neutrones. Esta es una razón los científicos nucleares están tan profundamente interesados en isómeros - una vida relativamente larga en estado excitado núcleos que más fácilmente renunciar a sus secretos estructurales de los experimentadores.
Durante años, la espectroscopia de rayos gamma ha sido uno de los únicos medios fiables de estudio de los isómeros. Pero ahora los científicos tienen una nueva herramienta a su disposición. En un artículo que será publicado en Physical Review Letters, los investigadores de la Universidad Estatal de Michigan Nacional de Laboratorio de superconductores (CPNM) reportar el primer hallazgo de un isómero nuclear, espectrometría de masas de trampa Penning.
El concepto se aplica a través de la excitación física y la química a todo, desde las moléculas a los átomos a los núcleos. Considere la posibilidad de la física básica detrás de una luz de neón. Cuando se aplica voltaje a través de un tubo lleno de gas de neón, los electrones que orbitan alrededor de los núcleos de neón brevemente muy contentos de los niveles más altos de energía antes de que vengan a caer de vuelta a sus estados de tierra, la liberación de la luz visible.
Nucleones, los protones y neutrones que forman los núcleos atómicos, de manera similar se puede subir a niveles más altos de energía. La mayoría resultante en estado excitado núcleos de existir en el más breve de los plazos, con tiempos de vida a menudo se miden en billonésimas de segundo, antes de la decadencia nucleones a estados de menor energía, la liberación de varias formas de radiación. Sin embargo, algunos de estos núcleos en estado excitado son bastante estables y pueden existir durante períodos mucho más largos de tiempo, a partir de fracciones de segundos a millones de años.
Estos núcleos vida relativamente larga son llamados isómeros, que son el foco de un intenso escrutinio de los científicos nucleares. Entre las preguntas abiertas acerca de isómeros: Por qué combinaciones de protones y neutrones que puede existir? ¿Cuáles son sus propiedades? ¿Cuánto tiempo viven? ¿Y cuál es su energía de excitación (la energía necesaria para elevar sus nucleones a mayores niveles de energía)?
El descubrimiento del isómero de hierro nuevo vino durante el uso de baja energía CPNM del Manga y el dispositivo de trampa de iones (LEBIT) para realizar mediciones de precisión de los isótopos raros que están cerca, en cuanto al número de protones y neutrones, al níquel-68, uno particularmente enigmática isótopo.
Con 28 protones y 40 neutrones, 68 de níquel-muestra algunas de las características de los núcleos doblemente mágico, llamados así porque tienen el número justo de los protones y los neutrones para llenar completamente todos los estados de energía, o conchas, que ocupan. (De acuerdo con el modelo nuclear, protones y neutrones en los núcleos más ocupan de distintos intérpretes de energéticos, llenando completamente los estados de baja altitud y sólo parcialmente llenado los estados superiores, en los núcleos doblemente mágico, todos los depósitos están llenos de ocupados). Sin embargo, los núcleos con poco un menor número de protones y neutrones que el níquel-68 revelan cambios pronunciados en la estructura, que en general no es el caso de los isótopos de otros núcleos cercanos doblemente mágico.
"No tenemos idea de lo que está sucediendo en esta región nuclear, por lo que se necesitan más medidas", dijo Georg Bollen, profesor de CPNM y co-autor del artículo.
El experimento se llevó a cabo en el acoplamiento del Fondo para el CPNM ciclotrón, que produce diversos isótopos ricos en neutrones de hierro y cobalto, como el hierro-65, con 26 protones y neutrones 39. (Los isótopos estables de hierro más abundante en la Tierra tiene 26 protones y 30 neutrones). Estos isótopos producidos por la rotura de haces de núcleos de germanio, que viaja a la mitad de la velocidad de la luz en el material blanco delgado, fueron llevados casi a descansar en una celda de gas helio.
A continuación, los isótopos se guiaron por una serie de campos eléctricos en dos trampas de iones. Uno de ellos era una trampa Penning, un dispositivo de uso común en la física atómica y nuclear para medir con precisión la masa. Una trampa Penning atrapa y retiene las partículas cargadas en un campo magnético fuerte. En respuesta a este campo, las partículas capturadas se mueven en lo que se conoce como un movimiento ciclotrón, la frecuencia de los cuales está directamente relacionada con la masa de la partícula.
Durante el experimento, Bollen y sus colaboradores observaron dos frecuencias distintas asociados con el hierro-65 atrapadas partículas. Llegaron a la conclusión de que el más pesado de los dos era un isómero previamente desconocida de hierro-65.
CPNM es el primer laboratorio en el mundo para detener vigas rápidas de los núcleos de tal manera que puede quedar atrapado en el espacio y estudiado con gran precisión. Bollen, uno de los expertos en esta disciplina en la interfaz entre la física atómica y nuclear, ayudó a diseñar y construir ISOLTRAP, el espectrómetro de primera trampa Penning para el estudio de la masa de los núcleos de corta duración en la Organización Europea de Investigación Nuclear (CERN ) en Ginebra, Suiza.
"La región nuclear vimos todavía tiene un montón de incertidumbre, pero hemos tenido éxito en la adición de una pieza nueva y fascinante de la información", dijo Bollen. "Y lo hicimos yendo más allá de espectroscopia de rayos gamma, los medios clásicos de estudio de los isómeros, encontrando isómeros pesando núcleos con una precisión muy alta tiene perspectivas interesantes para futuros estudios.
La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencia y Universidad Estatal de Michigan.