Atrapan a los rayos detrás de la creación de isótopos radiactivos

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Físicos japoneses observaron "en vivo" por primera vez el nacimiento de isótopos radiactivos, predicho por teóricos, durante un rayo. El artículo fue publicado en la revista Nature.

Durante una tormenta eléctrica el 6 de febrero de 2017, cuatro detectores instalados en la central nuclear Kashiwazaki-Kariwa , que se encontraba a una distancia de 0,5-1,7 km de los rayos, registraron simultáneamente un intenso destello de radiación gamma, que duró alrededor de 200 milisegundos. Un minuto después del flash principal, hubo un resplandor crepuscular en el rango gamma, que fue acompañado por la detección de la radiación en una línea de alrededor de 0.511 megaelectronvoltio (MeV).

La ubicación de los detectores y la radiación gamma amortiguada de alta energía detectada por los tres detectores. La flecha muestra la dirección del viento, los círculos amarillos muestran el lugar de formación de las descargas de los rayos
Teruaki Enoto y otros / Nature 551 (noviembre de 2017)

Los datos indican que la fuente del resplandor crepuscular en el rango gamma difiere de la fuente de la parte principal de los cuantos gamma. Además, la radiación registrada en la línea 0,511 MeV corresponde al proceso de aniquilación electrón-positrón. El mecanismo de formación de positrones durante la descarga del rayo consiste en la iniciación de reacciones fotonucleares atmosféricas 14N + γ → 13N + n и 16O + γ → 15O + n, en cuyo proceso nacen isótopos inestables de oxígeno y nitrógeno, que posteriormente se someten a la desintegración beta.

Los neutrones rápidos, nacidos en las reacciones fotonucleares, pierden gradualmente su energía debido a la dispersión elástica múltiple con los núcleos de átomos de gases atmosféricos, en particular el nitrógeno. En este proceso, el 96% de neutrones desaparece durante la reacción 14N + n → 14C + p, que no está acompañada por la emisión de rayos gamma, mientras que el restante 4% de neutrones se someten a la captura radiactiva del nitrógeno atmosférico o de la sustancia de la superficie de la Tierra. Al mismo tiempo, el núcleo que captura neutrones irradia cuantos gamma, por ejemplo durante la reacción 14N + n → 15N + γ. La rapidez teórica de captura de neutrones es consistente con los datos observados.

En la Tierra, solo se conocen dos formas de origen natural de los isótopos de carbono. Por ejemplo, el isótopo estable 13C se creó durante la nucleosíntesis estelar y formaba parte de una nebulosa protosolar, y el isótopo inestable 14C se forma en la atmósfera debido a los rayos cósmicos. Las reacciones fotonucleares atmosféricas causadas por un rayo representan un canal previamente no identificado para generar en la Tierra los isótopos de carbono, nitrógeno y oxígeno (13C, 14C, 13N, 15N и 15O). Es más, los isótopos 13N y 15O permiten desarrollar un nuevo método para el estudio de un rayo mediante el registro formado cuando los positrones se descargan por los detectores terrestres.

Alexánder Voityuk

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