Responsable: Manuela Rodríguez Gallardo
Tipo de Proyecto/Ayuda: Plan Estatal 2013-2016 Excelencia - Proyectos I+D
Referencia: FIS2014-51941-P
Fecha de Inicio: 01-01-2015
Fecha de Finalización: 31-12-2018

Empresa/Organismo financiador/es:

• Ministerio de Economía y Competitividad

Equipo:

• Equipo de Trabajo:
  • Pierre Descouvemont
  • Rubens Lichtenthäler Fillho
  • Ian Joseph Thompson
  • Jesús Casal Berbel

Resumen del proyecto:

Gran parte de los esfuerzos recientes realizados en Física Nuclear tienen por objetivo entender los llamados núcleos exóticos. Estos son sistemas nucleares que tienen una razón entre número de protones y número de neutrones muy diferente a la de los núcleos ordinarios. Además se encuentran cerca de las líneas de evaporación por lo que tienen semividas cortas.

Un caso particularmente interesante de sistemas exóticos son los llamados núcleos halo, sistemas débilmente ligados en los que una o más partículas tienen una gran probabilidad de encontrarse a distancias considerablemente mayores que los radios nucleares típicos. Entre ellos se encuentran los núcleos borromeo, que consisten en un sistema de 3 cuerpos en el que ninguno de los subsistemas binarios está ligado pero sí el sistema completo. Ejemplos de estos sistemas son ⁶He (⁴He+n+n), ¹¹Li (⁹Li+n+n) y ¹⁷Ne (¹⁵O+p+p), aunque sobre el último hay discusión acerca de la existencia de un halo de 2 protones. También hay núcleos que, pese a ser estables, tienen una estructura borromea que se puede romper fácilmente al colisionar con otro núcleo, como es el caso de ⁹Be (⁴He+⁴He+n). Todos ellos necesitan un modelo de 3 cuerpos para ser estudiados de una forma adecuada.

Con la experiencia adquirida en el estudio de ⁶He y más recientemente de ¹¹Li, este proyecto tiene por objetivo estudiar por primera vez las reacciones inducidas por ⁹Be y ¹⁷Ne en un modelo de reacción de 4 cuerpos (proyectil de 3 cuerpos más blanco). El estudio de 9Be nos permitirá determinar las diferencias entre la ruptura de un núcleo borromeo estable y uno exótico como ⁶He. El estudio de ¹⁷Ne nos permitirá arrojar luz sobre la posible existencia de un halo de 2 protones. Otro objetivo destacado es el uso de la experiencia en esta metodología para dar apoyo teórico a grupos experimentales que están actualmente estudiando este tipo de núcleos en las grandes instalaciones nucleares, como es el caso del grupo experimental de RIBRAS (Brasil).

Por otro lado, entender la estructura y los mecanismos de reacción de los núcleos atómicos es esencial para arrojar luz en diversas cuestiones astrofísicas tales como la nucleosíntesis estelar y esto, a su vez, es esencial para entender el origen de los elementos del Universo. Existen diversos procesos de captura radiativa cuyas tasas de reacción no han sido todavía determinadas con precisión, ni experimental ni teóricamente, en todo el rango de temperaturas relevante en Astrofísica. Ejemplos de estos procesos son ¹²C (alfa+alfa+alfa), ¹⁷Ne (¹⁵O+p+p), ⁹Be (alfa+alfa+n) y ⁶He (alfa+n+n), cada uno de ellos relevante en un ambiente astrofísico diferente pero que tienen en común su estructura borromea. Tras la experiencia adquirida en la determinación de las tasas de reacción de ⁶He y ⁹Be, el objetivo es determinar las tasas de ¹²C y ¹⁷Ne. La formación de ¹²C es el conocido como proceso triple alfa y tiene una gran relevancia en Astrofísica porque sirve de puente para la formación de núcleos con más de 8 nucleones. Por su parte, la relevancia de la formación de ¹⁷Ne en estrellas binarias está en discusión y su tasa está siendo estimada actualmente en el FAIR (GSI).

Dada la dificultad experimental en la determinación de estas tasas de reacción, otro objetivo es el establecimiento de un procedimiento experimental alternativo para la determinación de la tasa de reacción de estos procesos a partir de la relación que existe entre ésta y la probabilidad de ruptura en núcleos pesados.

Atomic nuclei beyond the stability line and astrophysical implications

A large part of the recent efforts performed in Nuclear Physics has been aimed to the understanding of the so-called exotic nuclei. These are nuclear systems consisting of a ratio of protons and neutrons very different from ordinary nuclei. They are also close to one of the driplines, so they are short-lived systems. Particularly interesting cases of exotic systems are the so-called halo nuclei, consisting of a weakly-bound system in which one or more particles have a large probability of being at distances considerably larger than typical nuclear radii. Among them are the Borromean nuclei consisting of a 3-body system in which none of the binary subsystems is bound but the full system is. Examples of these systems are ⁶He (⁴He+n+n), ¹¹Li (⁹Li+n+n) and ¹⁷Ne (¹⁵O+p+p), although there is still controversy about the existence of a 2-proton halo on the latter. There are also nuclei that, despite being stable, have a Borromean structure that can be easily broken up by colliding with another nucleus, as in the case of ⁹Be (⁴He+⁴He+n). All of them need a 3-body model to be studied properly. With the experience obtained in the study of ⁶He and most recently of ¹¹Li, this project aims to study the reactions induced by ⁹Be and ¹⁷Ne, for the first time, within a 4-body reaction framework (3-body projectile plus target). The study of ⁹Be will help us to determine the differences between the breakup of a stable Borromean nucleus with respect to an exotic one such as ⁶He. The study of ¹⁷Ne will help us to shed light on the possible existence of a 2-proton halo. Another important objective is to use the experience in this methodology on theory to support experimental groups that are currently studying this type of nuclei in the large nuclear facilities, such as the experimental group at RIBRAS (Brazil).

On the other hand, understanding the structure and reaction mechanisms of atomic nuclei is essential to shed light on various astrophysical questions such as stellar nucleosynthesis and this, in turn, is essential to understand the origin of the elements of the Universe. There are several radiative capture processes whose reaction rates have not yet been determined accurately, theoretically or experimentally, in the complete temperature range relevant in Astrophysics. Examples of these processes are ¹²C (alpha+alpha+alpha), ¹⁷Ne (¹⁵O+p+p), ⁹Be (alpha+alpha+n) and ⁶He (alpha+n+n), each one relevant in a different astrophysical environment but sharing a Borromean structure. In view of the experience gained in the determination of the reaction rates for ⁶He and ⁹Be, the objective is to determine the rates for ¹²C and ¹⁷Ne. The formation of ¹²C is known as the triple-alpha process and it has a great relevance in Astrophysics since it can bridge the production of nuclei with more than 8 nucleons. On the other hand, the relevance of the formation of ¹⁷Ne in binary stars is under discussion and its rate is being currently estimated at FAIR (GSI). Given the experimental difficulty in the determination of these reaction rates, another objective is to establish an alternative experimental procedure for determining the reaction rate of these processes from the relationship between the reaction rate and the breakup probability on heavy targets.