En la física nuclear, algunos descubrimientos aparecen de forma casi anecdótica, mientras los investigadores buscan otra cosa. Es lo que ocurrió con el aluminio-20, un isótopo jamás observado hasta ahora, cuya existencia fue detectada de manera indirecta durante un experimento en el GSI Helmholtz Center de Alemania. Aunque el objetivo original era estudiar otro núcleo, el magnesio-19, los datos revelaron algo inesperado: la aparición fugaz de un núcleo tan inestable que lanza tres protones antes de desaparecer.
Este hallazgo, publicado en Physical Review Letters en julio de 2025, no solo aporta una nueva entrada al mapa nuclear, sino que también plantea dudas sobre una de las simetrías fundamentales que rigen la física de los núcleos atómicos. El aluminio-20 rompe las predicciones basadas en la simetría isospínica, un principio que hasta ahora se consideraba muy robusto. Los resultados obtenidos permiten explorar zonas extremas de la tabla de los núcleos y ofrecen claves sobre cómo se comporta la materia en condiciones límite .
¿Qué es exactamente el aluminio-20?
El aluminio-20 (20Al) es un isótopo extremadamente inestable, situado más allá del llamado "límite de goteo de protones". Esto significa que ni siquiera puede retener los protones que forman su núcleo, porque la repulsión electromagnética entre ellos es mayor que la fuerza nuclear que los mantiene unidos. En consecuencia, el 20Al se desintegra de forma casi inmediata.
Los investigadores detectaron su existencia analizando las trayectorias de sus productos de desintegración: un núcleo de neón-17 y tres protones emitidos en rápida sucesión. Gracias a detectores de silicio de alta precisión, se pudo reconstruir el proceso y comprobar que este núcleo es inestable con respecto a la emisión simultánea de tres protones. Es el primer caso conocido en el que un núcleo hijo de una desintegración de un protón también es un emisor de dos protones .
Una cadena de desintegración sin precedentes
El proceso observado es especialmente interesante por su estructura en cascada. El aluminio-20 no emite directamente tres protones a la vez, sino que lo hace en dos etapas: primero pierde un protón, transformándose en magnesio-19, y luego este magnesio-19 se desintegra emitiendo simultáneamente dos protones para formar neón-17. Esta secuencia se conoce como decadencia 1p–2p.
Esta cadena es única por una razón clave: es la primera vez que se observa una desintegración secuencial de este tipo en la que el núcleo hijo intermedio también es radiactivo por emisión de dos protones. Esta doble inestabilidad hace que el sistema sea ideal para estudiar fenómenos como la ruptura de simetría isospínica y las interacciones entre protones en estados altamente excitados del núcleo .
En palabras del propio artículo: “El estado fundamental del 20Al decae mediante la emisión secuencial de un protón y dos protones a través del estado fundamental intermedio de 19Mg” .
¿Por qué rompe las reglas conocidas?
En teoría, los núcleos espejo —aquellos que tienen el mismo número de nucleones pero intercambiados entre protones y neutrones— deberían comportarse de forma muy parecida. Esta propiedad se llama simetría isospínica, y es uno de los pilares en los modelos de estructura nuclear. Sin embargo, el ²⁰Al y su núcleo espejo, el nitrógeno-20 (20N), no se ajustan a este patrón.
Mientras que el estado fundamental del 20N tiene un espín-paridad 2⁻, los modelos y los datos experimentales indican que el 20Al posee un espín-paridad 1⁻. Además, la energía de desintegración del 20Al fue mucho menor de lo predicho por la simetría isospínica. Según el estudio: “Este valor es significativamente menor que las predicciones inferidas de la simetría isospínica”.
Estas diferencias apuntan a una ruptura clara de esta simetría, lo que supone una oportunidad para poner a prueba los límites de los modelos teóricos actuales, como el modelo de la cáscara de Gamow y el modelo acoplado de canales de Gamow, ambos empleados para interpretar los datos obtenidos .
Tecnología de vanguardia para un descubrimiento fugaz
Observar núcleos tan breves como el 20Al exige una instrumentación extraordinaria. El equipo utilizó una técnica conocida como "decadencia en vuelo", en la que los núcleos se producen y desintegran mientras se desplazan a alta velocidad por el laboratorio. Esto permite identificar sus productos de desintegración antes de que desaparezcan.
En este experimento, el aluminio-20 se formó a partir de un haz secundario de magnesio-20, que impactó sobre un blanco de berilio. Los productos resultantes fueron detectados con una matriz de microtiras de silicio que captó con gran precisión la posición y trayectoria de los fragmentos generados. Esta capacidad permitió reconstruir las correlaciones angulares y extraer con alta resolución la energía liberada durante la desintegración, que fue de 1,93 (+0,12 −0,10) MeV .
Además, se estimó que el exceso de masa del 20Al es de 40,30 ± 0,12 MeV, un dato clave para los modelos de masa nuclear y que también contradice las predicciones tradicionales basadas en la simetría entre núcleos espejo .
Un rompecabezas para los teóricos
El equipo utilizó dos modelos avanzados para interpretar los resultados: el modelo de la cáscara de Gamow (GSM) y el modelo de canales acoplados de Gamow (GCC). Ambos coinciden en que el 20Al tiene una configuración dominante de tipo s1/2 y espín-paridad 1⁻, lo que refuerza la idea de que su estructura interna difiere claramente de la de su núcleo espejo 20N, que es 2⁻.
Estas diferencias no son únicas. Casos similares ya se habían observado en otros emisores múltiples de protones, como el 31K. Por ello, los autores sugieren que puede estar produciéndose una preservación parcial de la estructura nuclearincluso en zonas donde el núcleo es tan inestable que apenas se sostiene unido .
Si este fenómeno se confirma, implicaría que el número de isótopos aún por descubrir es mayor del que se pensaba, y que los límites del “territorio nuclear” son más amplios que los estimados hasta ahora.
Una rareza que anticipa otras
El descubrimiento del aluminio-20 también ha servido para anticipar la existencia de otro núcleo aún más extremo: el silicio-21 (21Si). Según los autores, este isótopo podría emitir cuatro protones en una cadena secuencial, lo que lo convertiría en un emisor de 4p, aún más raro que el 20Al. A medida que los investigadores avanzan hacia regiones más remotas del mapa nuclear, se espera encontrar otros procesos de desintegración múltiples que apenas han sido explorados.
Todo ello confirma que los modos exóticos de desintegración nuclear —como los de uno, dos o incluso más protones— son no solo una curiosidad experimental, sino también herramientas clave para comprender la estructura más profunda de la materia.
Referencias
- X.-D. Xu et al. Isospin Symmetry Breaking Disclosed in the Decay of Three-Proton Emitter 20Al. Physical Review Letters, 135, 022502 (2025). https://doi.org/10.1103/hkmy-yfdk.
