En 2019 un experimento relacionado con el isótopo circonio-88 (88Zr), y su análisis posterior, sorprendió a la comunidad científica al observar que su sección eficaz de captura de neutrones de baja energía era miles de veces mayor de lo que predecían los modelos teóricos. El análisis llevó a extrapolar una sección eficaz de captura de neutrones para un rango de energías más amplio, sugiriendo un valor dos órdenes de magnitud superior al previamente medido. Sin embargo, un nuevo estudio experimental, publicado en dos artículos, realizado por Athanasios Stamatopoulos y su equipo en el Laboratorio Nacional de Los Álamos, ha desmontado esta extrapolación.
El circonio-88 es una de las formas del elemento circonio. Los átomos de un elemento pueden existir en distintas versiones llamadas isótopos. Estos isótopos se diferencian por tener un número distinto de neutrones en su núcleo. El circonio-88 es un isótopo específico que se utiliza en este tipo de experimentos.
Cuando los neutrones (partículas subatómicas que no tienen carga eléctrica) se acercan a un núcleo atómico, pueden ser absorbidos por él. Este proceso se llama «captura de neutrones». Es importante estudiar cómo ocurre esta captura porque interviene en muchos procesos, desde el funcionamiento de los reactores nucleares a la creación de elementos en las estrellas.
Algunos conceptos básicos
La «sección eficaz» es una medida que indica la probabilidad de que un neutrón sea capturado por un núcleo atómico. Si una sección eficaz es grande, significa que es más probable que el neutrón sea capturado, mientras que, si es pequeña, la probabilidad de captura es baja. Esta medida depende de muchos factores, como la energía del neutrón
Los neutrones se clasifican según su energía. Los «neutrones térmicos» son aquellos que tienen una energía muy baja, similar a la de las partículas en equilibrio térmico (como las partículas en el aire a temperatura ambiente). Estos neutrones son especialmente importantes porque suelen ser los más efectivos a la hora de ser capturados por ciertos isótopos en condiciones normales.
Cuando se habla de «resonancia» en este contexto, en realidad nos referimos a una energía en la que los neutrones tienen una alta probabilidad de ser capturados por el núcleo de un átomo. Los neutrones de energías cercanas a esta resonancia interactúan de forma más fuerte con los núcleos, lo que hace que la sección eficaz de captura sea más grande en estas energías.
Midiendo ingeniosamente la sección eficaz del circonio-88
El circonio-88, como algunos otros isótopos, es radiactivo, lo que significa que puede «desintegrarse» de manera espontánea. Esta desintegración es un proceso en el que el núcleo del átomo pierde partículas, como protones o neutrones, y cambia a un nuevo isótopo del mismo o distinto elemento. Durante este proceso, se emiten partículas como rayos gamma (radiación electromagnética de alta energía). Este fenómeno puede interferir con las mediciones experimentales, ya que los rayos gamma generados por la desintegración pueden confundirse con los rayos gamma originados por la captura de neutrones.
Para realizar estas nuevas mediciones los investigadores utilizaron una nueva técnica que les permitió medir con mayor precisión cómo los neutrones de diferentes energías interactúan con el circonio-88. En lugar de observar simplemente los rayos gamma emitidos por la muestra, simplemente cambiaron la perspectiva. Utilizaron un haz de neutrones de amplia gama de energías y midieron cuántos de estos neutrones pasaban a través del material sin ser capturados. De esta manera, pudieron obtener datos más precisos sobre cómo el circonio-88 interactúa con los neutrones a distintas energías.
No extrapole a la ligera
El estudio original realizado en 2019 mostró que la sección eficaz de captura de neutrones de baja energía para el circonio-88 era mucho mayor de lo esperado según los modelos teóricos. Sin embargo, el nuevo experimento realizado por Stamatopoulos y su equipo muestra que, si bien la captura de neutrones sigue siendo alta para energías bajas, la sección eficaz de captura en un rango de energías más alto es mucho más baja de lo que se había anticipado. Esta diferencia sugiere que el modelo propuesto en 2019, que extrapolaba un comportamiento mayor para energías más altas, no tiene base experimental.
Este tipo de investigaciones es fundamental porque permite mejorar la comprensión de los procesos nucleares. Las aplicaciones son trascendentes, tanto desde el punto de vista tecnológico y económico, como es la explotación segura de la energía nuclear como en el puramente científico de comprensión de los fenómenos de nucleosíntesis en las estrellas la creación de elementos en estrellas. Este estudio muestra la importancia de tener en cuenta nuevas técnicas experimentales y la necesidad de ajustar los modelos teóricos a la luz de datos más precisos.
Referencias:
Shusterman, J.A., Scielzo, N.D., Thomas, K.J. et al. (2019) The surprisingly large neutron capture cross-section of 88Zr. Nature doi: 10.1038/s41586-018-0838-z
A. Stamatopoulos et al. (2025) Origin of the enormous 88Zr neutron-capture cross section and quantifying its impact on applications Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.134.112702
A. Stamatopoulos et al., (2025) First study of 88Zr + n at DICER at LANSCE at energies up to 500 eV and relevance to explosive environments Phys. Rev. C doi: 10.1103/PhysRevC.111.034613
M. Stephens (2025) New Experiment Solves a Nuclear Mystery Physics 18, s33
C. Tomé López (2020) El núcleo (serie) Cuaderno de Cultura Científica
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
