Observan una forma de oxígeno desconocida hasta hoy

Un isótopo de oxígeno recientemente observado desafía todas las suposiciones científicas: se trata del oxígeno-28, compuesto por el mayor número de neutrones jamás visto en el núcleo de un átomo de oxígeno. Lo más llamativo es que aunque teóricamente debería ser estable, en realidad se "esfuma" y desintegra rápidamente, poniendo en duda los conocimientos establecidos sobre el número de partículas en el núcleo de un átomo y su comportamiento.

Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Tokio, en Japón, y del Oak Ridge National Laboratory (ORNL), en Estados Unidos, ha identificado una nueva forma de oxígeno desconocida hasta hoy, denominada oxígeno-28, que posee el número más elevado de neutrones observado hasta el momento en la composición nuclear de este elemento. Además, su característica inestable contradice las teorías conocidas sobre el comportamiento de estas estructuras atómicas. 

Los trabajos dirigido por el físico nuclear Yosuke Kondo derivaron en el hallazgo de dos isótopos de oxígeno que nunca antes se habían identificado: oxígeno-27 y oxígeno-28, con 19 y 20 neutrones respectivamente. Sin embargo, el oxígeno-28 destaca especialmente por "romper el récord" en la cantidad de neutrones descubiertos en el núcleo de un átomo de oxígeno: hasta hoy, el liderazgo era ocupado por el oxígeno-26, con 18 neutrones. 

Sorpresa y misterio

Más allá de este nuevo límite superado en la cantidad de neutrones, los investigadores descubrieron una extraña característica inestable en el oxígeno-28, que va en sentido contrario a las teorías establecidas sobre la composición del núcleo atómico de estos elementos, según un artículo publicado en Science Alert. El nuevo estudio, que ha aparecido recientemente en la revista Nature, fue posible gracias a los experimentos realizados en la Fábrica de Haces de Isótopos Radiactivos (RIBF), en la instalación RIKEN, en Japón, y a las simulaciones por ordenador efectuadas en el ORNL.

Los científicos emplearon el instrumento RIBF, un acelerador de ciclotrón diseñado para producir isótopos inestables, con el propósito de generar diversas reacciones y lograr finalmente la observación del oxígeno-27 y el oxígeno-28. El intento fue tan exitoso como sorprendente: apreciaron que tanto el oxígeno-27 como el oxígeno-28 son inestables y duran solo un breve lapso de tiempo. En un abrir y cerrar de ojos, se descomponen en oxígeno-24 acompañado de 3 ó 4 neutrones sueltos, según corresponda en cada caso.

Y aquí comienza especialmente la sorpresa en torno al oxígeno-28. Según una nota de prensa del ORNL, en el núcleo atómico del oxígeno-28 interactúan 20 neutrones y 8 protones, a través de la fuerza nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Precisamente, el número que sigue al nombre del átomo se refiere a la cantidad de nucleones, o sea al número total de protones y neutrones que están unidos en el núcleo atómico.

Los físicos esperaban que esta combinación de 8 protones y 20 neutrones en el oxígeno-28 generara una energía de unión más fuerte que otras configuraciones, para formar así isótopos estables y no radiactivos. Por el contrario, descubrieron que el oxígeno-28 es absolutamente inestable y se desintegra rápidamente. 

El oxígeno-28 no era “doblemente mágico”

“Estamos aprendiendo cómo se comportan los núcleos atómicos en condiciones extremas. Todo indica que el enfoque tradicional para la estructura de los núcleos atómicos no se aplica a medida que se avanza hacia los límites del mapa nuclear. En ese sentido, surgen nuevos fenómenos y pequeños detalles de la fuerza nuclear fuerte empiezan a desempeñar un papel clave en la determinación de estos límites”, concluyó Gaute Hagen, uno de los autores del nuevo estudio, en el comunicado del ORNL.

Sabemos que la mayor parte del oxígeno de la Tierra, incluido el aire que respiramos, es oxígeno-16: para los científicos, esta combinación es una forma “doblemente mágica” de oxígeno por su composición y estabilidad. Durante mucho tiempo se esperó que el oxígeno-28 fuera el siguiente isótopo de oxígeno “doblemente mágico” luego del oxígeno-16, pero los intentos anteriores de encontrarlo fracasaron.

Ahora, el trabajo de Kondo y sus colegas ha logrado observar al oxígeno-28, pero con resultados muy diferentes a los esperados. En próximas investigaciones, los especialistas esperan resolver el misterio sobre la composición de esta forma de oxígeno y concretar nuevos hallazgos en torno a los límites del mapa nuclear.

Referencia

First observation of 28O. Y. Kondo et al. Nature (2023). DOI:https://doi.org/10.1038/s41586-023-06352-6