Una estrella que colapsa, un átomo inestable que se rompe y, en algún punto intermedio, el nacimiento del oro. Así de extraordinario es el proceso cósmico por el cual se forman algunos de los elementos más valiosos del universo. Lo que ocurre en el corazón de una supernova o en la colisión de dos estrellas de neutrones parece muy lejano a nuestra vida cotidiana, pero tiene consecuencias directas en la existencia de materiales como el platino o el uranio en nuestro planeta. Y lo que aún no se entendía del todo es qué sucede, a nivel nuclear, en esos entornos tan extremos.
Ahora, un grupo de investigadores liderados por la Universidad de Tennessee y con participación del CERN ha conseguido algo inédito: medir por primera vez la energía de la emisión doble de neutrones retardada por desintegración beta en un isótopo muy raro, el indio-134. Este tipo de desintegración, que se creía imposible de observar con esta precisión, abre una nueva ventana al modo en que los núcleos atómicos se comportan en los procesos de formación de elementos pesados, como los que siguen el llamado camino del Proceso R (r-process) en la nucleosíntesis estelar.
Una desintegración inusual que ayuda a explicar de dónde viene el oro
Indio-134 es un isótopo exótico, inestable y de vida breve. Producido en instalaciones especializadas como el ISOLDE Decay Station del CERN, este núcleo atómico no se encuentra en la Tierra de forma natural y solo puede obtenerse bajo condiciones altamente controladas. Lo interesante de este átomo es su papel como intermediario en el proceso de captura rápida de neutrones, el Proceso R, que se cree responsable de la creación de muchos de los elementos pesados en el universo.
En este nuevo estudio, se ha observado que al desintegrarse mediante beta, el indio-134 emite dos neutrones de forma retardada, un fenómeno extremadamente raro. Este tipo de emisión había sido predicho, pero nunca se había logrado medir la energía de los neutrones implicados. Para hacerlo, el equipo utilizó un conjunto de detectores avanzados que permitieron distinguir entre la emisión de un solo neutrón y la emisión doble.
Este hallazgo es clave por una razón: permite validar y ajustar los modelos teóricos que describen cómo se comportan los núcleos en condiciones extremas, como las que se dan en una explosión estelar. Como subraya el artículo original, “este es el primer estudio de los detalles de la emisión de dos neutrones para un núcleo que pertenece a la ruta del Proceso R”.
Sn-133: el núcleo que no olvida
Además de observar la energía de los neutrones, el experimento reveló algo aún más intrigante. El núcleo de estaño-133, que aparece como producto en esta desintegración, conserva una especie de “memoria” de su origen. Tradicionalmente se asumía que, al emitir neutrones, estos núcleos se comportaban como si partieran desde cero, sin recordar su configuración anterior. Pero no fue así en este caso.
En palabras del físico Robert Grzywacz, uno de los autores principales, “el estaño no olvida”. Este comportamiento, descrito en el artículo de Physical Review Letters, implica que el núcleo conserva huellas de la transformación beta previa, lo que contradice los modelos estándar que trataban este proceso como un fenómeno estadístico y desestructurado. La memoria nuclear observada sugiere que hay mecanismos intermedios en juego que aún no comprendemos del todo, y que podrían estar afectando las probabilidades de emisión de neutrones.
El estaño no olvida
Robert Grzywacz
En concreto, se logró identificar un estado excitado del estaño-133 que llevaba mucho tiempo buscándose: el estado i13/2+, una configuración del neutrón en un orbital energético muy específico. “Determinamos la energía de excitación del estado i13/2+ en 2829(8) keV”, señala el artículo científico. Este nivel, que hasta ahora solo había sido inferido indirectamente, fue observado gracias a las correlaciones energéticas entre los dos neutrones emitidos.
Rompiendo los modelos: por qué no siempre se comportan como esperábamos
Uno de los hallazgos más llamativos del estudio fue que la población del estado i13/2+ no seguía el patrón esperado. Los modelos estadísticos actuales, como el de Hauser-Feshbach, predecían una probabilidad mucho mayor de que este estado se poblara, es decir, que los neutrones emitidos lo ocuparan. Sin embargo, los datos experimentales mostraron una población mucho menor.
“Encontramos una gran inhibición en la emisión de neutrones desde los estados GT altamente poblados en el estaño-134 hacia el estado i13/2+ en el estaño-133”, concluye el artículo. Este desfase entre teoría y experimento plantea la necesidad de reconsiderar algunas suposiciones básicas sobre el comportamiento de los núcleos inestables. Los autores proponen una posible explicación: una modificación significativa del potencial nuclear o una ruptura de la hipótesis del núcleo compuesto, lo que significaría que las emisiones no son puramente aleatorias, sino que están influenciadas por la estructura del núcleo previo.
En resumen, este resultado no solo desafía un modelo teórico de décadas, sino que obliga a repensar cómo se describen los procesos nucleares en condiciones de alta energía, como las que se dan en supernovas o colisiones de estrellas de neutrones. Es un ajuste fino, pero con implicaciones astronómicas.
Tecnología, estudiantes y ciencia colaborativa
Este avance no habría sido posible sin una combinación muy precisa de tecnología y talento humano. El experimento utilizó dos sistemas complementarios de detección: INDiE y NEXT, dos conjuntos de detectores de neutrones con capacidad para distinguir entre un solo evento y múltiples emisiones. Gracias a estos equipos, se pudieron observar las energías de los neutrones con una precisión sin precedentes.
Un papel destacado lo tuvo Peter Dyszel, estudiante de doctorado y primer autor del estudio. Su trabajo abarcó desde la construcción física de componentes del experimento hasta el análisis de datos y desarrollo de software. Esta implicación directa en todas las fases del estudio es un ejemplo de cómo la formación en física experimental no solo requiere conocimientos teóricos, sino también habilidades prácticas y colaborativas.
El experimento también subraya la importancia de los entornos internacionales y multidisciplinares, con participación de instituciones de Estados Unidos, Europa, Japón y Sudáfrica. Fue llevado a cabo en el marco del proyecto ISOLDE del CERN, una de las pocas instalaciones del mundo capaces de producir y manipular núcleos tan exóticos como el indio-134.
Hacia una nueva física nuclear
Más allá de la emoción del descubrimiento, este trabajo apunta a algo más profundo: la necesidad de repensar los modelos que usamos para entender la materia. Lo que parecía un proceso estadístico simple resulta estar condicionado por efectos estructurales del núcleo, algo que los modelos clásicos no logran captar del todo.
Esto tiene consecuencias directas en cómo los astrofísicos calculan la abundancia de elementos pesados en el universo. Si las tasas de desintegración son diferentes de las previstas, los modelos actuales de nucleosíntesis podrían estar desviados, afectando nuestras estimaciones sobre el origen de ciertos elementos.
El experimento abre la puerta a nuevos estudios, más precisos, que busquen medir no solo la energía, sino también los ángulos y tiempos de emisión de neutrones múltiples. Como dice el propio paper, “nuestro resultado de desintegración beta con emisión de dos neutrones abre el camino a nuevos experimentos para estudiar correlaciones energéticas y angulares”. La física nuclear, lejos de haberlo dicho todo, todavía guarda secretos que se revelan solo con paciencia, colaboración y tecnología puntera.
Referencias
- P. Dyszel et al. First β-Delayed Two-Neutron Spectroscopy of the r-Process Nucleus 134In and Observation of the i13/2 Single-Particle Neutron State in 133Sn, Physical Review Letters, 135, 152501 (2025). DOI: 10.1103/l24v-5m31.
