El científico granadino que ha desentrañado uno de los misterios del Universo

A Sudáfrica llegó en 2011 para trabajar como profesor e investigador y para «utilizar las infraestructuras espectaculares de Sudáfrica y ayudar a avanzar la física nuclear y la astrofísica». Desde allí dirigió el primer experimento propuesto y liderado por una institución africana en el CERN, el mayor laboratorio de investigación en física de partículas del mundo. Eso fue hace cinco años. Desde entonces, Nicolás Orce ha seguido con sus investigaciones y, recientemente, ha encabezado como autor principal un equipo de científicos sudafricanos y de la India que ha resuelto un misterio que la física nuclear mantenía oculto a los ojos de la ciencia.

Su trabajo ha sido publicado por la prestigiosa Oxford Univesity Press en 'Monthly Notices of the Royal Astronomical Society' (MNRAS), una de las más importantes revistas científicas del mundo en astronomía y astrofísica. En la investigación han conseguido arrojar luz sobre los procesos nucleares que conducen a la formación de elementos pesados de la tabla periódica ​​después de la colisión de estrellas de neutrones y por qué esos elementos se encuentran en las mismas proporciones relativas en todo el universo.

En el artículo, el científico granadino y sus colaboradores sostienen que sus hallazgos pueden responder a una de las preguntas más importantes de la astrofísica: la 'universalidad' de la abundancia de elementos pesados de la tabla periódica ​​en todo el universo. «O por qué tenemos las mismas cantidades de oro y otros elementos pesados ​​dondequiera que miremos», aclara Nico Orce.

Lo que han descifrado ha generado auténticos quebraderos de cabeza a muchos científicos a lo largo de las últimas décadas. Ahora, gracias a este estudio, se ha podido saber que el hecho de que todas las estrellas, incluido el sol, tengan las mismas cantidades relativas de elementos pesados (concretamente los que tienen un peso atómico superior al hierro) sugiere que provienen de un solo tipo de fuente o lugar. «Puede apuntar a un único sitio cósmico con condiciones astrofísicas que se generan uniformemente a lo largo del tiempo cósmico», reflejan Orce y su colegas de investigación.

La clave para la creación de elementos pesados ​​es lo que se conoce como el proceso de captura rápida de neutrones o proceso rápido, que aún no se ha podido desentrañar en su totalidad. Esto es lo que el equipo de científicos espera resolver en un futuro. «Es todavía una de las once preguntas más grandes sin contestación en física a día de hoy», recuerda el científico de Almuñécar. Ellos han propuesto una respuesta con la información existente, aunque se necesita mas trabajo experimental con GAMKA (espectrómetro de rayos gamma, un sofisticado dispositivo usado para medir la distribución de energía de la radiación gamma.). «Nosotros damos una respuesta a esa pregunta. Solo que hay que seguir trabajando en ello. Tenemos que ir a más bajas temperaturas. Así que podemos decir que hemos contestado esa pregunta o hemos propuesto una solución a la pregunta. Pero nos gustaría confirmarlo», desarrolla Nico Orce.

Para llegar a la conclusión han realizado nuevas lecturas con espectrómetros de rayos gamma de alta resolución, dispositivos que detectan radiación electromagnética de alta energía. Ellos detectaron un aumento «inesperado» en lo que se conoce como energía de simetría. En física nuclear se trata una medida del coste energético para hacer que los sistemas nucleares sean más ricos en neutrones, las partículas subatómicas que, junto con los protones, se encuentran en el núcleo o centro de los átomos. A medida que se añaden más neutrones al núcleo, la energía de simetría tiene un efecto de contrapeso sobre la energía de enlace o ligadura que mantiene unido al núcleo. En este caso, cuanto mayor es la energía de simetría, menor es la energía de enlace o ligadura.

El aumento de la energía de simetría descubierto por el sexitano y sus compañeros se atribuye a un ligero aumento de la energía de las resonancias dipolares gigantes (RDA). Las RDA son el resultado de la «excitación» colectiva (un tipo específico de salto de energía) de protones y neutrones que oscilan fuera de fase, lo que significa que sus ondas no están sincronizadas entre sí. Como tales, las RDA representan la principal contribución a la absorción y emisión (la atracción y liberación) de la radiación electromagnética en un núcleo.

Los científicos argumentan que el salto en la energía de simetría reduce la frontera de cuántos neutrones pueden tener los núcleos. En este punto, los núcleos se fragmentan en sus constituyentes neutrones y protones. «Esto nos dice que no podemos ir demasiado lejos capturando neutrones durante la 'cocción' de los elementos», explica Orce.

En última instancia, el aumento de la energía de simetría impacta en el 'proceso rápido'. El 'proceso rápido' es responsable de la 'cocción' o nucleosíntesis de elementos pesados. Es un conjunto de reacciones nucleares que se cree que crean alrededor de la mitad de los elementos conocidos en el universo con un peso atómico mayor que el hierro, incluidos plata, oro y platino. Crea estos elementos o metales pesados mediante la captura rápida de neutrones de vida corta. Pero necesita muchos neutrones para alimentarse. La colisión de dos estrellas de neutrones (estrellas «pequeñas» con un radio de no más de 20 km y compuestas en gran parte por neutrones densamente empaquetados) proporciona el suministro necesario de neutrones.

A pesar de la fuerte atracción gravitacional de estas fusiones, grandes cantidades de elementos químicos son arrojados al espacio durante la fase de enfriamiento, creando los elementos que figuran en la tabla periódica. La respuesta a la distribución uniforme de metales pesados ​​–su «universalidad»– puede residir, sostiene el equipo, en que el 'proceso rápido' sea más restringido de lo que se imaginaba anteriormente. «La pérdida de energía de enlace como resultado del aumento de la energía de simetría implica que no tenemos, como se esperaba, tantos caminos exóticos que crean los elementos, sino que parece haber un camino bien definido para el proceso rápido», dice Orce.

El equipo, formado por la Universidad del Cabo Occidental, el Instituto Nacional de Ciencias Teóricas y Computacionales de Sudáfrica (NITheCS), la Universidad de Bankura (India), la Universidad Estatal de Barasat (India), el Centro de Energía Variable del Ciclotrón de Calcuta (VECC) y el Instituto Nacional Homi Bhabha en India, buscará confirmar y ampliar sus hallazgos sobre el espectrómetro de rayos gamma para el conocimiento en África (o GAMKA, palabra que en lengua khoisan del África subsariana significa león y que da nombre a un río de la provincia de Cabo Occidental). O como dice el propio Orce: «Espectrómetro de rayos gamma moderno para hacer realidad tus sueños y que tiene el potencial de liderar fisica nuclear y astrofísica mundialmente». Este complejo instrumento nuclear es propiedad de un consorcio nacional liderado por el científico almuñequero y está alojado en los Laboratorios iThemba para Ciencias Basadas en Aceleradores (iThemba LABS) de Sudáfrica.