Para os cientistas que estudam a matéria em energias extremas, compreender como grandes núcleos atômicos como o chumbo se separam quando estão próximos uns dos outros (sem realmente colidir) é uma forma importante de compreender as forças que dominam o universo. Estas raras interacções, nas quais os átomos de chumbo influenciam-se uns aos outros apenas através dos seus poderosos campos eléctricos, proporcionam uma oportunidade única para observar como a energia das partículas de luz chamadas fotões perturba a estrutura atómica. Os investigadores decidiram observar mais de perto como os protões, as partículas carregadas positivamente encontradas nos núcleos atómicos, são libertados durante este processo, com o objectivo de melhorar os modelos que descrevem esta interacção e ajudar a desenvolver futuras instalações de investigação, como o Electron-Ion Collider, uma máquina de próxima geração para estudar núcleos atómicos.
No âmbito da colaboração ALICE, a equipa de investigação colaborou com o Large Ion Collider Experiment, uma importante iniciativa de física de partículas do CERN, para recolher dados utilizando o Sistema de Detecção Avançada da Experiência no maior acelerador de partículas do mundo, conhecido como Large Hadron Collider. Eles conduziram a primeira investigação detalhada de eventos em que prótons são emitidos quando átomos de chumbo se aproximam em alta velocidade, junto com nêutrons, partículas neutras também localizadas no núcleo. Suas descobertas, publicadas na Physical Review C, descrevem como diferentes combinações de partículas são liberadas e comparam essas observações com previsões feitas por uma ferramenta de simulação amplamente utilizada chamada modelo relativístico de dissociação eletromagnética, que estima como os núcleos atômicos se separam sob a influência da eletricidade.
Na maioria das vezes, estes eventos de fragmentação não resultam em emissão de prótons, confirmando que este resultado é relativamente raro. Contudo, quando prótons são emitidos, esses padrões podem ser claramente observados. A equipe descobriu que o modelo correspondia estreitamente aos eventos observados nos quais nenhum próton ou vários prótons foram emitidos juntos. No entanto, parece subestimar a frequência de eventos envolvendo um ou dois prótons. Os pesquisadores também analisaram situações em que um único próton foi emitido com um, dois ou três nêutrons e descobriram que o modelo tendia a superestimar a frequência de tais eventos.
Talvez o mais notável seja o facto de as partículas parecerem emitir de uma forma consistente com a criação de novas formas de elementos químicos. Quando apenas nêutrons são liberados, diferentes versões de chumbo, chamadas isótopos, são formadas. Quando um ou mais prótons são emitidos, os elementos produzidos incluem tálio, mercúrio e ouro. As descobertas ajudam os cientistas a compreender melhor como os componentes atômicos se reorganizam durante essas interações e que tipos de novas substâncias podem surgir. Como explica o Dr. Acharya, “modelos relativísticos de dissociação eletromagnética sugerem que essas emissões de prótons e nêutrons estão associadas à produção de elementos como tálio e ouro, que agora podemos observar com mais clareza”.
Usando detectores altamente sensíveis posicionados para capturar partículas que se movem em grandes ângulos, a equipe mediu prótons e nêutrons com alta precisão. Detectores projetados especificamente para medir prótons foram alinhados diretamente com o caminho do feixe de átomos de chumbo, enquanto outros detectores foram projetados para detectar nêutrons. Os cientistas utilizaram uma abordagem estatística cuidadosa – explorando padrões e probabilidades nos dados recolhidos – para interpretar as leituras de energia destes dispositivos. Essa abordagem permitiu-lhes identificar eventos relevantes para suas pesquisas. Eles também fizeram os ajustes necessários na análise para levar em conta partículas que podem ter passado despercebidas ou foram identificadas incorretamente. Esta parte do estudo é particularmente importante porque os prótons tendem a perder mais energia e a se mover de maneira diferente dos nêutrons.
As descobertas melhoram a nossa compreensão de como grandes estruturas atómicas se desintegram quando afetadas pelos campos elétricos de átomos próximos. Ao mesmo tempo, esta investigação desafia partes do modelo relativístico de dissociação electromagnética, mostrando que embora continue a ser uma ferramenta valiosa, precisa de ser melhorada. Como aponta o Dr. Acharya, “Esses resultados podem servir como base para modelos teóricos e apoiar o projeto de instalações futuras onde a compreensão desse processo de dissociação é crítica.”
Olhando para o panorama geral, o estudo liga dados experimentais a previsões de simulações de computador, que são modelos numéricos usados para replicar fenômenos físicos. O trabalho do grupo experimental Large Ion Collider marca um progresso significativo na ciência nuclear. Ele fornece uma compreensão mais clara de como os átomos de chumbo se comportam sob condições extremas e revela como os componentes atômicos se remontam em novos materiais tanto no espaço sideral quanto em laboratórios.
Referência do diário
S. Acharya et al., “Emissão de prótons de colisões superperiféricas Pb-Pb de √sNN = 5,02 TeV”, Physical Review C, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.054906
Sobre o autor
Alice (Large Ion Collider Experiment) é um importante grupo de pesquisa internacional dentro da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN). Centra-se no estudo do comportamento da matéria sob condições extremas, particularmente as propriedades do plasma de quark-glúon – um estado da matéria que se pensa ter existido logo após o Big Bang. Usando as poderosas colisões de partículas produzidas pelo Grande Colisor de Hádrons, o ALICE estuda como os núcleos atômicos se dividem e se recombinam quando expostos a temperaturas e densidades de energia extremamente altas. A colaboração inclui centenas de cientistas e engenheiros de instituições de todo o mundo trabalhando juntos para explorar os blocos de construção fundamentais do universo. O sistema de detecção avançado do ALICE foi projetado para analisar colisões de íons pesados, como aquelas que envolvem núcleos de chumbo, para obter informações sobre a força forte que une prótons e nêutrons. O projeto desempenha um papel vital na melhoria da nossa compreensão da física nuclear e do universo primitivo.
