La mayoría de los elementos más pesados del Universo se forman en las estrellas mediante uno de los llamados procesos de captura de neutrones, en los que un núcleo atómico absorbe uno o más neutrones. En el proceso lento de captura de neutrones, o «proceso s», las absorciones se distribuyen en el tiempo. Como tal, cada evento de absorción da como resultado bien un núcleo estable con la misma cantidad de protones pero un neutrón adicional, o un núcleo inestable, que luego se desintegra radiactivamente para producir el núcleo del siguiente elemento en la tabla periódica: el que tiene un protón adicional.

Utilizando los modelos actualmente disponibles del proceso s se han predicho correctamente la abundancia onservada de elementos tan pesados como el bario (56 protones), el lantano (57 protones), el praseodimio (59 protones) y el neodimio (60 protones) en estrellas que se sabe que se enriquecen a través del proceso s. Pero los modelos parecen fallar en el caso del cerio (58 protones), ya que las predicciones de abundancia de este elemento en algunos cúmulos globulares de baja masa y metalicidad han discrepado hasta en un 30% con las observaciones. Es llamativo que el modelo funcione para los elementos vecinos y que discrepe así para un elemento solo.

El cerio tiene otra característica interesante: puede formar el llamado núcleo de número mágico. La mayor parte del cerio del Universo (89%) existe como cerio-140, un isótopo del elemento que contiene 58 protones y un número mágico de 82 neutrones. Los núcleos de números mágicos son particularmente estables y, por lo tanto, a menudo existen en mayor abundancia que otros isótopos del mismo elemento o de elementos vecinos en la tabla periódica.

Al igual que otros núcleos de números mágicos, la alta estabilidad del cerio-140 surge de su baja sección transversal de captura de neutrones, que es la probabilidad de que un núcleo del isótopo absorba un neutrón entrante. También es el parámetro medido en nuevos experimentos en el CERN realizados por la Colaboración n_TOF. El análisis de los datos indica que la sección transversal de captura de neutrones es un 40% mayor que la medida en experimentos anteriores, que tenían menor precisión. Una sección transversal más alta hace que sea más probable que el cerio-140 capture un neutrón entrante y menos probable que permanezca en su forma de cerio-140. Esto, a su vez, lleva a predecir una menor abundancia de cerio-140 que antes.

La sección transversal más alta también tiene implicaciones para la abundancia de los núcleos que se forman más adelante en la cadena del proceso s. Dado que es más probable que el cerio-140 capture un neutrón y forme un núcleo más pesado, el proceso s puede continuar más rápido, creando una mayor abundancia de núcleos más pesados.

La discrepancia entre la abundancia de cerio-140 predicha por la teoría y la medida en las observaciones de las estrellas de baja metalicidad sugiere que un proceso distinto al proceso s también podría producir este núcleo en esas estrellas. Una posibilidad es que otra vía de nucleosíntesis, el llamado proceso i, esté involucrada en la producción de cerio. Este proceso de captura de neutrones propuesto pasa por alto algunos núcleos estables involucrados en el proceso s y, si desempeñara un papel importante, podría cambiar las abundancias relativas de los elementos.

En febrero, utilizando una técnica diferente, otro equipo encontró un valor de la sección transversal aproximadamente un 15% menor que el medido anteriormente con esa técnica. Nadie sabe el origen de la discrepancia entre los dos nuevos valores. Para descubrir exactamente qué está pasando, es necesario realizar más mediciones nucleares.

Referencias:

S. Amaducci et al. (n_TOF Collaboration)(2024) Measurement of the 140Ce(n, γ) cross section at n_TOF and its astrophysical implications for the chemical evolution of the Universe Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.132.122701

R. N. Sahoo et al. (2024) Stellar s-process neutron capture cross section of Ce isotopes Phys. Rev. C. doi: 10.1103/PhysRevC.109.025808

K.Wright (2024) Heavy Element Quandary in Stars Worsened by New Nuclear Data Physics 17, 47

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance