Núcleos atômicos quebrados: revelando suas formas misteriosas

Núcleos atômicos quebrados: revelando suas formas misteriosas

Os físicos descobriram uma nova maneira de estudar a forma dos núcleos atômicos – destruindo-os em colisões de alta energia. Este método poderia ajudar os cientistas a compreender melhor as formas dos núcleos, o que influencia, por exemplo, a taxa de formação de elementos nas estrelas e ajuda a determinar quais materiais são mais adequados como combustível nuclear.

“A forma dos núcleos influencia quase todos os aspectos do núcleo atômico e dos processos nucleares”, diz Jie Meng, físico nuclear da Universidade de Pequim, em Pequim. O novo método de imagem, publicado em 6 de novembro na revista Nature, representa “um avanço importante e emocionante”, disse Meng.

Uma equipe do Colisor Relativístico de Íons Pesados ​​(RHIC) no Laboratório Nacional de Brookhaven em Upton, Nova York, colidiu dois feixes de urânio-238 – e mais tarde dois feixes de ouro – em energias extremas. Eles colidiram “tão violentamente que basicamente derretemos os núcleos até formar uma sopa”, diz o coautor Jiangyong Jia, físico da Universidade Stony Brook, em Nova York.

O plasma quente criado pelas colisões expandiu-se muito rapidamente sob pressão, e isto estava ligado à forma inicial dos núcleos. Usando um detector chamado Solenoidal Tracker no RHIC, ou STAR, que detectou o momento de vários milhares de partículas produzidas por ambos os tipos de colisões e combinou os resultados com os modelos, a equipe foi capaz de “voltar no tempo para inferir a forma dos núcleos”, explica Jia.

Figuras escondidas

Um núcleo atômico consiste em prótons e nêutrons, que ocupam níveis de energia como os elétrons. Em geral, as partículas assumem uma forma que minimiza a energia do sistema. Semelhante a uma gota d'água, o núcleo pode assumir vários formatos, incluindo o de uma pêra, de uma bola de futebol americano ou de uma casca de amendoim. A forma de um núcleo é “muito difícil de prever teoricamente”, diz Jia. Ela também pode ao longo do tempo devido a flutuações quânticas variar.

Experimentos anteriores para explorar a forma envolviam desviar íons de baixa energia para longe dos núcleos. Este método – chamado excitação de Coulomb – excita os núcleos, e a radiação que eles emitem quando voltam ao estado fundamental revela aspectos de sua forma. Como a escala de tempo é relativamente longa, esse tipo de imagem só pode exibir uma imagem de longo prazo que mostre a média de todas as flutuações de formato.

Em contraste, o método de colisão de alta energia fornece uma imagem instantânea dos núcleos durante o impacto. É um método mais direto, o que o torna mais adequado para o estudo de formas exóticas, diz Jia.

A técnica confirmou que o ouro tinha uma forma quase esférica que era consistente de uma imagem para outra. Em contraste, a forma do urânio mudou nas imagens à medida que os núcleos colidiam em diferentes orientações. Isto permitiu aos investigadores calcular os comprimentos relativos do núcleo de urânio em três dimensões, sugerindo que o urânio não só é esticado, mas também ligeiramente comprimido numa dimensão, semelhante a uma bola de futebol americana desinflada.

“É fascinante que tenha funcionado” e que outros processos nucleares não tenham afetado a emissão das partículas e mascarado a deformação, diz Magdalena Zielińska, física nuclear da Agência Francesa de Energias Alternativas e Energia Atómica, perto de Paris.

Duro ou macio?

Este tipo de imagem pode ajudar a enfrentar a difícil tarefa de distinguir entre núcleos que são “rígidos”, o que significa que têm formas bem definidas, e núcleos “moles”, que flutuam, diz Zielińska.

Jia diz que sua equipe também quer usar o método para estudar as diferenças entre íons leves como oxigênio e néon. Os núcleos de oxigênio são quase esféricos, enquanto os núcleos de néon – que carregam dois prótons e dois nêutrons adicionais – são considerados curvados. A comparação de suas formas permitiria aos pesquisadores entender como os prótons e nêutrons formam aglomerados nos núcleos, disse Jia.

As informações sobre a forma também podem revelar se os núcleos têm probabilidade de interagir uns com os outros ou de sofrer uma reação de fissão nuclear, e podem aumentar a probabilidade de um processo denominado duplo sem neutrinos decadência β para descobrir o que pode ajudar a resolver alguns mistérios de longa data da física. Cerca de 99,9% da matéria visível está no centro dos átomos, diz Jia. “Compreender o alicerce nuclear está virtualmente no cerne da compreensão de quem somos.”

1. Natureza de Colaboração STAR https://doi.org/10.1038/s41586-024-08097-2 (2024).

   Artigo
   
   Google Acadêmico

Baixar citações