DUVI 06/05/2025
La revista científica Nature acaba de publicar los resultados de un experimento pionero llevado a cabo en el acelerador GSI-FAIR, en Darmstadt (Alemania), en el que un equipo internacional de investigadores describe una nueva isla de fisión nuclear asimétrica en un centenar de sistemas exóticos (no estables), una cuestión que, según explican, puede resultar clave para entender las propiedades del núcleo atómico, así como para conocer numerosos procesos de interés astrofísico que describen la abundancia de los elementos en el universo. El estudio tendrá múltiples aplicaciones, entre ellas, contribuir a mejorar la producción de energía, lo que afecta, por ejemplo, a la seguridad en las centrales nucleares.
La participación viguesa llegó de la mano del investigador del Centro de Investigación en Tecnología, Energía y Procesos Industriales, Cintecx, de la Universidad de Vigo, Enrique Casarejos, subdirector de la Escuela de Ingeniería Industrial. Junto a él formaron parte de este proyecto un amplio equipo de docentes del Instituto Gallego de Física de Altas Energías, IGFAE, de la Universidad de Santiago de Compostela, así como de la Universidad de La Coruña.
Papel de la UVigo en el experimento
La UVigo participó en el experimento desarrollando equipos de instrumentación científica junto con el IGFAE para el experimento R3B, donde se llevó a cabo este estudio de fisión único. “La complejidad de los equipos exige una gran transversalidad de los equipos de integración involucrando a ingenieros y físicos para su desarrollo y puesta a punto”, explica Enrique Casarejos, responsable del grupo de investigación en Diseño y Simulación Numérica en Ingeniería Mecánica del Cintecx. Él fue el encargado de coordinar desde 2005 el trabajo en R3B, financiado por múltiples proyectos nacionales y consolidando la presencia de la Escuela de Ingeniería Industrial y del Cintecx en GSI-FAIR.
Según explica, el desafío de las líneas de trabajo requiere métodos de cálculo complejos, materiales técnicos, y la aplicación en entornos de trabajo muy exigentes para garantizar la resistencia a la radiación, estabilidad térmica, alto vacío, criogenia, optimización estructural, etc., y que suponen un campo con múltiples opciones para desarrollar trabajos de investigación y donde ya se han desarrollado dos tesis doctorales y múltiples proyectos “realizados con alumnos de la escuela, algunos en el propio GSI-FAIR a través del programa Erasmus”, apunta el investigador, añadiendo que actualmente hay un alumno de la EEI realizando su tesis en GSI-FAIR, y dos estudiantes de grado y máster realizaron allí como estudiantes Erasmus sus TFG y TFM.
Isla de fisión asimétrica
Los fragmentos que resultan de una fisión (esto es, los nuevos núcleos que se producen cuando se rompe un núcleo pesado) pueden tener cargas similares (fisión simétrica) o diferentes, cuando un fragmento lleva una parte mayor del núcleo que se rompe (fisión asimétrica). Si representamos los resultados de la fisión en un mapa de nucleidos (una ‘tabla periódica ampliada’, que representa todos los isótopos de los elementos) encontramos amplias regiones donde la fisión es simétrica, con islas o zonas donde la fisión resulta asimétrica. Ahora, este trabajo permite delimitar parte de una isla de asimetría en una región por debajo del plomo, que no había sido explorada en detalle previamente.
En los últimos años, tras la observación de fisiones asimétricas inesperadas en núcleos exóticos deficientes en neutrones, se han desarrollado nuevas investigaciones teóricas y experimentales para profundizar en ellas. En este marco, el experimento, realizado dentro de la colaboración R3B-SOFIA de GSI-FAIR, pretendía determinar la distribución de la carga de los fragmentos de fisión para una amplia colección de núcleos exóticos que se producen y estudian en este acelerador.
Los resultados ofrecen el primer mapa completo de esta nueva isla de fisión asimétrica de núcleos con menor número atómico que el plomo. Se recogen las medidas de distribución de carga de los fragmentos de fisión, dominando aspectos estructurales del núcleo que se rompe, y que son producto de 100 sistemas de fisión exóticos, de los que 75 se miden por primera vez.
Uno de los hallazgos más destacados es el papel que desempeña la llamada capa de protones deformada Z=36 en el fragmento más ligero de la fisión. Esta estructura nuclear contribuye a explicar la mayor probabilidad de generación de ciertos productos en la rotura del núcleo, señalando la influencia de las propiedades estructurales en la dinámica de la fisión.
Además, el trabajo ayuda también a determinar las características de los fragmentos de fisión y predecir la evolución entre la rotura asimétrica de los actínidos, la rotura simétrica que gobierna el proceso de fragmentación para los núcleos más ligeros y nuevos modos de rotura asimétrica para núcleos exóticos ligeros ricos en protones. Estos resultados se complementarán con nuevos mecanismos de reacción para inducir la fisión, como las reacciones de arranque de un nucleón, investigadas en el IGFAE y que han dado lugar a dos tesis doctorales. A partir de la cinemática de los nucleones emitidos, estas reacciones permiten reconstruir la energía de excitación del sistema implicado en la fisión y estudiar, por ejemplo, la evolución de las capas de protones y neutrones en función de la energía.
De cara a futuras investigaciones, este conjunto de datos será esencial para restringir modelos de fisión fiables y predictivos utilizados para estimar las propiedades de fisión de núcleos con relaciones neutrón-protón extremas, en los que no se dispone de datos experimentales.