În spatele strălucirii aurului – metalul care a fascinat civilizațiile timp de milenii – se ascunde o poveste cosmică și nucleară mult mai complexă decât și-au imaginat oamenii de știință în urmă cu doar câteva decenii. Un studiu recent realizat de o echipă internațională de fizicieni a reușit să clarifice un mister vechi de peste douăzeci de ani privind modul în care se formează unele dintre cele mai grele elemente din Univers.

Cercetarea, la care au contribuit și specialiști români de la Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizică și Inginerie Nucleară „Horia Hulubei”, oferă noi indicii despre procesele nucleare care stau la baza apariției aurului în cosmos.

Aurul și originile sale cosmice

Aurul, platina și alte elemente grele nu se formează în mod obișnuit în interiorul stelelor precum hidrogenul sau heliul. Ele apar doar în condiții extreme, în timpul unor evenimente cosmice violente: explozii de supernove, coliziuni între stele neutronice sau prăbușiri stelare.

În astfel de momente are loc ceea ce fizicienii numesc procesul de captare rapidă a neutronilor (procesul r). În acest scenariu, nucleele atomice absorb neutroni într-un ritm extrem de rapid, devenind tot mai instabile. Pentru a reveni la o formă stabilă, aceste nuclee suferă transformări radioactive complexe, eliberând particule și reorganizându-se până când apar elemente noi în tabelul periodic.

Deși teoria acestui proces este cunoscută de decenii, detaliile exacte ale reacțiilor nucleare implicate au rămas mult timp greu de observat direct.

Contribuția cercetătorilor români

La clarificarea acestor mecanisme a contribuit și o echipă din România, din cadrul Departamentului de Fizică Nucleară al Institutului „Horia Hulubei”, coordonată de fizicianul Răzvan Lică.

Cercetătorii români sunt implicați în proiectul internațional ISOLDE Decay Station, o instalație experimentală din cadrul CERN dedicată studierii izotopilor radioactivi. Programul, lansat în 2014 și susținut de institute din întreaga lume, este unul dintre cele mai importante laboratoare pentru analiza modului în care nucleele atomice instabile se transformă.

Institutul românesc a contribuit la dezvoltarea infrastructurii experimentale prin echipamente specializate și detectoare de spectroscopie gamma, care permit măsurători extrem de precise asupra particulelor emise în timpul dezintegrărilor nucleare.

Experimentele de la CERN

Pentru a înțelege mai bine reacțiile care duc la formarea elementelor grele, echipa de cercetători a analizat un izotop rar: indiu-134.

Experimentele au fost realizate la instalația ISOLDE de la CERN, unde nucleele acestui element au fost produse și izolate cu ajutorul unor tehnologii avansate de separare cu laser.

Atunci când indiu-134 se dezintegrează, el generează forme instabile de staniu – staniu-134, staniu-133 și staniu-132. Studierea acestor etape intermediare este esențială pentru înțelegerea lanțului de reacții nucleare care apare în timpul procesului cosmic de formare a elementelor grele.

Cu ajutorul unor detectoare sofisticate de neutroni, fizicienii au reușit să observe fenomene care până acum puteau fi doar estimate prin calcule teoretice.

Prima măsurare directă a unor energii nucleare rare

Cea mai importantă descoperire a studiului a fost prima măsurare directă a energiei neutronilor emiși într-un proces rar numit emisie beta întârziată cu doi neutroni.

Acest tip de reacție apare doar în nuclee extrem de instabile, care există pentru intervale foarte scurte de timp. Tocmai din acest motiv, până acum a fost aproape imposibil de observat în mod direct în laborator.

Datele obținute permit cercetătorilor să testeze mai riguros modelele teoretice folosite pentru a explica formarea elementelor grele în Univers.

O stare nucleară căutată de zeci de ani

O altă descoperire importantă a fost identificarea unei stări nucleare speciale în izotopul staniu-133, prevăzută teoretic de multă vreme, dar care nu fusese observată până acum.

În trecut, fizicienii credeau că nucleul de staniu eliberează pur și simplu neutroni pentru a se stabiliza, pierzând orice informație despre procesul anterior de dezintegrare.

Noile măsurători sugerează însă că nucleul păstrează o „amprentă” a modului în care s-a format, ceea ce indică faptul că modelele teoretice folosite până acum trebuie revizuite.

Modelele existente, puse la încercare

Un al treilea rezultat al experimentului arată că modul în care această stare nucleară este populată nu urmează tiparele statistice prevăzute de teoriile actuale.

Această observație îi obligă pe cercetători să dezvolte modele mai sofisticate pentru a explica comportamentul nucleelor instabile, mai ales în regiuni îndepărtate de stabilitatea atomică.

Astfel de studii sunt esențiale pentru înțelegerea proceselor cosmice care au generat elementele chimice din care sunt alcătuite planetele și chiar corpul uman.

De la stele explodate la aurul din bijuterii

În cele din urmă, cercetarea nu oferă doar răspunsuri pentru fizicienii nucleari. Ea aduce o perspectivă fascinantă asupra originii aurului – metalul care a influențat istoria economică și culturală a lumii.

Fiecare atom de aur de pe Pământ este, de fapt, rezultatul unor evenimente cosmice catastrofale petrecute cu miliarde de ani în urmă. În interiorul acestor explozii stelare, nucleele atomice au trecut prin reacții complexe precum cele studiate astăzi în laboratoare precum CERN.

Prin urmare, în spatele strălucirii aurului se ascunde o istorie cosmică mult mai veche decât civilizația umană.