Un ciclo estelar
Los ciclos CNO. Cuatro capturas de protones son seguidas de Los ciclos CNO. Cuatro capturas de protones son seguidas de una desintegración
una desintegración. Los ciclos se diferencian según que el. Los ciclos se diferencian según que el
ambiente estelar sea “frío” (
ambiente estelar sea “frío” (líneas de puntos líneas de puntos ) o “caliente” () o “caliente” (tra- tra-
zos continuos, abajo
zos continuos, abajo ).).
NUCLEONES A N E U T R O N E S N C N N N O F F F 12 13 14 15 16 17 18 O O Ne Ne ( p, γ) (e+, ν) 12C 13 N 13 C 14O ( p, γ) F R I O CALIENTE C O O α α α α α 6 7 8 9 RADIOACTIVIDADβ+ CAPTURA DE UN PROTON EMISION α SUBSIGUIENTE A LA CAPTURA DE UN PROTON NUCLEOS PESADOS
Por ejemplo, el ciclo carbono-nitró- geno-oxígeno, que asegura ciertas combustiones del hidrógeno, hace intervenir núcleos radiactivos (véase el recuadro de la página 38). De igual manera, a resultas de cataclismos estelares, como la implosión de una supernova, las condiciones extraordi- narias de presión y de energía engen- dran núcleos nuevos, muy alejados de la estabilidad (véase la figura 4). Para comprender de qué modo han sido sin- tetizados en las estrellas los núcleos más pesados que el helio, no podemos contentarnos con estudiar los núcleos presentes en la Tierra: la síntesis y el examen de los núcleos exóticos nos informarán sobre el funcionamiento de las estrellas y sobre la nucleosínte- sis (la fabricación de nuevos núcleos) que en ellas se desarrolla.
Hasta el advenimiento de los prime- ros haces de núcleos exóticos, estos núcleos se habían producido para com- probar su existencia, determinar su longevidad y medir su masa. Además, por interacción con haces láser o por detección de las radiaciones que emi- ten espontáneamente, se ha podido caracterizar la forma que tienen, así como algunos de sus estados excita- dos. De todos modos, estas informacio- nes siguen siendo parciales y no per- miten captar la realidad de los núcleos exóticos. Para sondear la materia nuclear inestable que los constituye hace falta una especie de microscopio. En física hemos aprendido a observar objetos inaccesibles a nuestra percep- ción bombardeándolos con ondas y partículas; así, en ecografía o en los microscopios electrónicos, el haz inci-
N E U T R O N E S N 23 24 25 26 27 23 24 25 26 27 S K 39 40 41 42 43 44 45 46 47 S S S S S Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Cl Ar Ar Ar Ar Ca a N E U T R O N E S N BIFURCACION S K 39 40 41 42 43 44 45 46 47 S S S S S Cl Cl Cl Cl Cl Cl Ar Ar Ar Ar Ca b CAPTURA DE UN NEUTRON RADIACTIVIDADβ– RAPIDA BIFURCACION CAPTURA DE UN NEUTRON RADIACTIVIDADβ– RAPIDA NUCLEONES A NUCLEONES A 3. LOS CAMINOS DE
3. LOS CAMINOS DE LA NUCLEOSINTELA NUCLEOSINTESIS. Durante la SIS. Durante la implo-implo- sión de una supernova los núcleos se ven sometidos a flujos de sión de una supernova los núcleos se ven sometidos a flujos deneutrones muy intensos. Los núcleos capturan neutrones muy neutrones muy intensos. Los núcleos capturan neutrones muy rápidamente (en menos de un segundo) y
rápidamente (en menos de un segundo) y se apartan conside-se apartan conside- rablemente de la estabilidad (
rablemente de la estabilidad ( flechas rojas flechas rojas). Como estos nú-). Como estos nú- cleos son cada vez más frágiles, llega a ocurrir que su duración cleos son cada vez más frágiles, llega a ocurrir que su duración sea inferior al tiempo de captura de un neutrón. El camino de sea inferior al tiempo de captura de un neutrón. El camino de la nucleosíntesis se bifurca y redesciende hacia el valle de la nucleosíntesis se bifurca y redesciende hacia el valle de estabilidad (
estabilidad ( flechas azules flechas azules): es el proceso r (inicial ): es el proceso r (inicial de rápido).de rápido). Al estudiar las propied
Al estudiar las propiedades de los núcleos exóades de los núcleos exóticos que inter-ticos que inter-
vienen en estas cadenas, y especialmente el azufre 44, los físi- vienen en estas cadenas, y especialmente el azufre 44, los físi- cos nucleares han elucidado la nucleosíntesis del calcio 46 cos nucleares han elucidado la nucleosíntesis del calcio 46((4646Ca), que durante mucho tiempo fue un Ca), que durante mucho tiempo fue un misterio: aunque semisterio: aunque se
encuentra más cerca del fondo del valle de estabilidad que encuentra más cerca del fondo del valle de estabilidad que el calcio 48 (
el calcio 48 (4848Ca), el calcio 46 es mucho más raro que éste. SeCa), el calcio 46 es mucho más raro que éste. Se
creía que el proceso rápido conducía a la formación del calcio creía que el proceso rápido conducía a la formación del calcio 46 (
46 (aa). La experimentación ha demostrado que las cadenas de). La experimentación ha demostrado que las cadenas de nucleosíntesis alimentan, ora al calcio 45, que decrece en al- nucleosíntesis alimentan, ora al calcio 45, que decrece en al- gunos cientos de días, ora a
gunos cientos de días, ora a núcleos de masa superior a 46, lonúcleos de masa superior a 46, lo que es desfavorable para la aparición del calcio 46 ( que es desfavorable para la aparición del calcio 46 (bb).).
FUENTE
CICLOTRONES SISSI
REACCION PRIMARIA REACCION SECUNDARIA
14O 14O 12O 16O 13N 208Pb PROTON CAMPO ELEC- TRICO HAZ EXOTICO DIANA DE PLOMO 208 DIANA DE CARBONO 12 NEUTRONES
4. LOS HACES RADIACTIVOS DEL GANI
4. LOS HACES RADIACTIVOS DEL GANIL, en Caen, sirven para sondear lL, en Caen, sirven para sondear la materiaa materia nuclear exótica. Se inyecta un haz de iones en un conjunto de tres ciclotrones. nuclear exótica. Se inyecta un haz de iones en un conjunto de tres ciclotrones. Estos ciclotrones aceleran los iones hasta casi la mitad de la velocidad de la luz. Estos ciclotrones aceleran los iones hasta casi la mitad de la velocidad de la luz. Acelerados
Acelerados de este de este modo, los modo, los iones chocan iones chocan contra una contra una diana, fragmentándose diana, fragmentándose (reac-(reac- ción primaria). Entre estos fragmentos se seleccionan los núcleos objeto de estudio; ción primaria). Entre estos fragmentos se seleccionan los núcleos objeto de estudio; en este caso núcleos de oxígeno 14. El sistema de producción de haces exóticos en este caso núcleos de oxígeno 14. El sistema de producción de haces exóticos (SISSI, sigla de fuente de iones secundarios con superconducción intensa) enfoca (SISSI, sigla de fuente de iones secundarios con superconducción intensa) enfoca los núcleos exóticos seleccionados, actuando a modo de
los núcleos exóticos seleccionados, actuando a modo de embudo magnético median-embudo magnético median- te solenoides. Por último, para estudiar las propiedades de los núcleos exóticos te solenoides. Por último, para estudiar las propiedades de los núcleos exóticos producidos, se les somete a una segunda in
producidos, se les somete a una segunda interacción (reacción secundaria). En ellateracción (reacción secundaria). En ella se examina la tasa de disociación del oxígeno 14 en nitrógeno 13 inducida por la se examina la tasa de disociación del oxígeno 14 en nitrógeno 13 inducida por la interacción con el núcleo diana, que es plomo 208. Cuando el núcleo diana es muy interacción con el núcleo diana, que es plomo 208. Cuando el núcleo diana es muy pesado y, en consecuencia, tiene gran carga eléctrica, posee un campo eléctrico pesado y, en consecuencia, tiene gran carga eléctrica, posee un campo eléctrico intenso capaz de escindir el núcleo de oxígeno, generando un núcleo de nitrógeno intenso capaz de escindir el núcleo de oxígeno, generando un núcleo de nitrógeno y un protón. Esta disociación del núcleo de oxígeno en nitrógeno constituye la y un protón. Esta disociación del núcleo de oxígeno en nitrógeno constituye la reacción inversa de la transformación del nitrógeno en oxígeno en los ciclos CNO reacción inversa de la transformación del nitrógeno en oxígeno en los ciclos CNO
dente interactúa con la superficie del objeto estudiado y el haz reflejado revela sus características.
El microscopio del físico nuclear es el acelerador de partículas. En él se proyectan partículas sobre los núcleos de una diana, con los cuales interac- túan; el análisis de los productos de la reacción permite establecer ciertas características del núcleo diana. Las partículas utilizadas como sonda con- sisten, sobre todo, en núcleos acelera- dos a gran velocidad, que forman un haz de gran luminosidad ( véase el recuadro de arriba).
Aceleración de
Aceleración de
los núcleos exóticos
los núcleos exóticos
L
amentablemente, cuando su vida es demasiado efímera y su canti- dad es demasiado pequeña, resulta imposible formar una diana con núcleos radiactivos: en el mejor de los casos sólo se alcanza a fabricar algu- nas milmillonésimas de microgramo de un núcleo exótico de un tipo dado. Resulta forzoso proceder a la inversa: el núcleo radiactivo que se pretende estudiar es proyectado sobre una diana de núcleos sonda. Tras su coli- sión con los núcleos de la diana se exa- minan los productos de reacción, con el fin de deducir, entre otros datos, el tamaño, la forma y la densidad de los núcleos del haz.Por otra parte, se cree que los haces de núcleos exóticos engendrarán reac- ciones nucleares nuevas y núcleos nue- vos. Se estudiarán los efectos produci-
dos por el reemplazamiento de un neu- trón por un protón, e inversamente.
Los primeros haces de núcleos exó- ticos (o haces radiactivos) fueron pro- ducidos en Europa, en Japón, en los Estados Unidos y en Rusia. Los núcleos exóticos de tales experimen- tos no eran acelerados; conservaban la velocidad que poseían desde el ins- tante de su creación. Eran reagrupa- dos en “haces” mediante sistemas magnéticos. Estos haces, sin embargo, son de calidad mediocre y solamente proporcionan informaciones parcia- les. Más recientemente, en el labora- torio de Louvain-La-Neuve, en Bél- gica, se han acelerado núcleos exóti- cos con el propósito de simular reacciones nucleares estelares. El laboratorio alemánGSIGSI puso en servi- cio en 1990 un anillo que permite el almacenamiento de los nuevos núcleos producidos. En estos últimos años, ha florecido por todos los rincones del mundo un buen número de proyectos de “fábricas de haces radiactivos”.
En Francia son tres los proyectos de aceleradores de haces radiactivos que están en curso. El primero consiste en acelerar los núcleos exóticos producidos por el separadorISOLDEISOLDE (acrónimo de Isotope Separator on line, separador de isótopos en línea) en el laboratorio euro-
peo delCERNCERN, en Ginebra; ha sido bau- tizadoREX REX -ISOLDEISOLDE (REX REX por Radio-active beam Experiment, experimento de haz radiactivo). El segundo proyecto, deno- minadoPIAFEPIAFE (Production, ionisation, accéleration de faisceaux exotiques, o sea, producción, ionización, aceleración de haces exóticos), está en curso de ela- boración: asociará los elevados flujos de neutrones del Instituto Laue Langevin, en Grenoble, al sistema acelerador de Rhône-Alpes, que propulsará los núcleos exóticos ricos en neutrones emanados en las reacciones de fisión. El tercer proyecto,SPIRALSPIRAL (Système de pro- duction d’ions radiactifs et d’accéleration en ligne, sistema de producción de iones radiactivos y de aceleración en línea), está siendo construido en Caen desde 1994. Utiliza los haces de iones pesados
delGANILGANIL con el fin de crear núcleos exó-
ticos, los cuales, una vez ionizados y cla- sificados, son acelerados en un ciclotrón hasta casi una cuarta parte de la velo- cidad de la luz. En 1998, el laboratorio
GANIL
GANIL será el primero del mundo en
entregar haces de núcleos exóticos en esta gama de energías.
40 TEMAS9
BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTARIA
NUCLEIATTHE LIMITSOF PARTICLE STABI-
LITY. A. C. Mueller y B. M. Sherrill en Annual Review of Nuclear and Particle
Science, volumen 43, páginas 529-584,
1993.
L
a creación de núcleos exóticos se consigue bombardean-do una diana con el haz de iones estables entregados porGANIL (1). Las reacciones entre los iones proyectiles y los iones del blanco engendran una gran variedad de núcleos nuevos; lo malo es que sólo uno de cada diez mil a un millón de núcleos incidentes produce alguno de los núcleos exóticos buscados. Por ello es necesario alcanzar flujos de iones incidentes lo más intensos que sea posible; de eso se
encargaGANIL, acelerando y enfocando los iones estables (a
razón de 1011 a 1013 iones por segundo).
La diana detiene los
núcleos formados (2 ).
Cuando la temperatura
es superior a 2000o C,
los isótopos produci- dos se difunden fuera del blanco. A continua- ción son ionizados —es decir, les son arranca- dos algunos de sus electrones— en una
fuente (3 ). El espectró-
metro (4 ) aísla, por
selección magnética, el isótopo deseado de
entre la enorme cantidad de iones producidos. En la última etapa, este haz secundario de iones radiactivos es acelerado, para que terminen su carrera en la diana que interesa al
físico. Para ello se utiliza el nuevo ciclotrónCIME (ciclotrón
de iones de mediana energía) en el que las energías alcan- zan de 2 a 25 millones de electronvolt por nucleón; un potente campo magnético mantiene los iones en trayectorias espira- les, cuya longitud se aproxima a los dos kilómetros; mediante
una multitud de pequeñas aceleraciones eléctricas, CIME
acelera los iones hasta velocidades cercanas a un cuarto de la velocidad de la luz.
La detección y el ajuste de haces de intensidad débil, que puede ir desde algunos
iones hasta 108 iones
por segundo, constitu- yen uno de los desafíos técnicos de este sis- tema. El acelerador permite controlar la pureza del haz produ- cido, así como su ener- gía y su tamaño.