O ouro não pode se formar até que certos núcleos atômicos instáveis se dividam. Há muito que é difícil determinar exactamente como estas transformações nucleares se desenrolam. Agora, físicos nucleares da Universidade do Tennessee (UT) relatam três descobertas num estudo que esclarece partes importantes deste processo. As suas descobertas poderão ajudar os investigadores a construir modelos melhorados de eventos estelares que produzem elementos pesados e a prever melhor o comportamento de núcleos atómicos exóticos.
Elementos pesados como ouro e platina são forjados sob condições especiais, inclusive quando estrelas entram em colapso, explodem ou colidem. Esses eventos desencadeiam o processo rápido de aquisição de nêutrons (ou processo r, para abreviar). Durante este processo, os núcleos atômicos absorvem nêutrons em rápida sucessão. À medida que o núcleo se torna mais pesado e mais instável, ele eventualmente se decompõe em formas mais leves e mais estáveis.
Ao longo deste caminho através do diagrama de nuclídeos, uma sequência comum envolve o decaimento beta do núcleo pai, seguido pela liberação de dois nêutrons. Os núcleos envolvidos nessas reações são extremamente raros e instáveis, tornando-os difíceis ou mesmo impossíveis de serem estudados diretamente em experimentos. Como resultado, os cientistas dependem fortemente de modelos teóricos, que devem ser testados e refinados utilizando dados de laboratório.
Estudo de núcleos raros usando a instalação ISOLDE do CERN
Para estudar esse processo mais de perto, os pesquisadores da UT se uniram a cientistas de diversas instituições. A equipe incluiu os alunos de pós-graduação da UT Peter Dyszel e Jacob Gouge, o professor Robert Grzywacz, o professor associado Miguel Madurga e a pesquisadora Monika Piersa-Silkowska. Seu trabalho também se baseia em métodos de análise de dados desenvolvidos pelo professor assistente de pesquisa Zhengyu Xu.
Os pesquisadores começaram com grandes quantidades do raro isótopo índio-134.
“Esses núcleos são difíceis de produzir e exigem muitas tecnologias novas para sintetizá-los em quantidades suficientes”, explica Grzywacz.
A equipe conduziu os experimentos na estação de decaimento ISOLDE do CERN, que produz abundantes núcleos de índio-134 e usa técnicas avançadas de separação a laser para garantir sua pureza. Quando o In-134 decai, ele produz estados excitados de Estanho-134, Estanho-133 e Estanho-132.
Usando um detector de nêutrons financiado pelo Programa de Instrumentação de Pesquisa Principal da National Science Foundation e construído na Universidade do Texas, os cientistas fizeram três descobertas importantes. O resultado mais importante é a primeira medição da energia de nêutrons associada à emissão dupla de nêutrons com atraso beta.
“As duas emissões de nêutrons são as mais importantes”, disse Grzyvac.
A emissão de dineutrons com atraso beta ocorre apenas em núcleos estranhos, que são instáveis e de curta duração. A energia necessária para separar dois nêutrons do núcleo é muito pequena, mas neste experimento foi grande o suficiente para ser medida.
“A razão pela qual isto é difícil é porque os nêutrons gostam de saltar. É difícil dizer se são um ou dois”, explica Grzyvac. Nas primeiras tentativas, “ninguém mediu a energia”, então o método “abriu um domínio totalmente novo”.
Este estudo marca o primeiro estudo detalhado da emissão dupla de nêutrons de núcleos atômicos localizados no caminho do processo r. Os resultados fornecem informações valiosas para melhorar os modelos que descrevem como os eventos estelares criam elementos pesados como o ouro.
Estado de nêutrons há muito procurado no estanho
A segunda grande descoberta da equipe foi a primeira observação do há muito previsto estado de nêutrons de partícula única no estanho-133. De acordo com Grzywacz, os núcleos atômicos começam em estado excitado e devem liberar energia para se estabilizarem.
“O estanho está em um estado excitado.[Ele]precisa esfriar. Ele pode cuspir um nêutron ou, se houver energia suficiente, pode cuspir dois nêutrons. Deve sempre cuspir dois nêutrons, mas isso não acontece.”
Tradicionalmente, os cientistas pensavam que os núcleos de estanho simplesmente emitiam nêutrons para esfriar, perdendo efetivamente qualquer vestígio de eventos anteriores de decaimento beta. Nesse caso, o núcleo se comporta como um “núcleo amnésico”, incapaz de lembrar como foi formado.
“Dizemos que o estanho nunca esquece”, disse Grzyvac. “Esta ‘sombra’ do índio não desapareceu completamente. A memória não foi apagada.”
Detectores avançados de nêutrons permitem que os pesquisadores detectem esse estado nuclear indescritível. Esta observação sugere que as explicações teóricas actuais estão incompletas e que os cientistas precisam de uma estrutura mais complexa para explicar porque é que alguns decaimentos libertam um neutrão e outros dois.
“As pessoas procuram por isso há 20 anos e nós encontramos”, disse Grzyvac. “Esses dois nêutrons nos permitem ver este estado.”
Ele observou que o estado recentemente observado representa um estágio intermediário em uma sequência de emissões duplas de nêutrons. Também representa a excitação elementar final do núcleo de estanho-133, ajudando a completar o diagrama da estrutura nuclear e a melhorar a precisão dos cálculos teóricos.
Terceira descoberta desafia os modelos existentes
O estudo também revelou um terceiro resultado importante. Os pesquisadores analisaram populações não estatísticas deste estado recém-descoberto. Simplificando, a forma como os estados são preenchidos durante o decaimento não segue o padrão que os cientistas normalmente esperam.
Grzywacz explicou que o ambiente de decomposição neste experimento era relativamente limpo. As potências nucleares estão separadas e não agrupadas.
“Você não está fazendo sopa de ervilha”, disse ele. “Na maior parte, porém, ele se comporta como uma sopa de ervilhas. De alguma forma, esse mecanismo estatístico acontece. Por que é estatístico, embora não devesse ser, e por que em nosso elenco não é”?
As descobertas sugerem que, à medida que os cientistas exploram regiões da paisagem nuclear que estão longe de ser estáveis, especialmente em núcleos exóticos como o Tennessee, os modelos existentes podem já não ser aplicáveis. Novas abordagens teóricas podem ser necessárias para descrever estes sistemas extremos.
A curiosidade impulsiona novas descobertas
A busca por modelos aprimorados de estrutura nuclear e formação de elementos oferece oportunidades significativas para cientistas em início de carreira como Deisel. Junte-se ao grupo de pesquisa de Grzywacz em 2022 e torne-se o primeiro autor Cartas de revisão física Artigo descrevendo essas descobertas.
Suas responsabilidades durante o experimento foram extensas. Deisel construiu a estrutura do detector de rastreamento de nêutrons e a montou na configuração experimental. Ele instalou os sistemas eletrônicos, construiu os detectores beta, realizou medições de teste, ajudou a desenvolver o software de aquisição de dados, ajustou os sistemas de cronometragem e analisou os dados resultantes. Apesar de seu amplo papel, o projeto continua sendo um esforço colaborativo entre muitos pesquisadores.
“O sucesso deste trabalho deve-se em parte aos meus colegas e colaboradores, cuja orientação e contributo construtivo foram cruciais”, disse ele.
Originário de Jacksonville, Flórida, Deisel ingressou na Universidade do Texas depois de se formar em física pela Universidade do Norte da Flórida. Seu interesse pela ciência nuclear começou em um curso de química geral, quando aprendeu sobre o decaimento beta. A ideia de que as transformações nucleares poderiam criar elementos inteiramente novos com propriedades diferentes chamou sua atenção, levando-o inicialmente a pensar em cursar química.
“Só tive aulas de física quando comecei o bacharelado, o que imediatamente me levou a me formar em física”, explica ele. “Sempre tive interesse em entender como o mundo funciona, e a física tem sido, e continua sendo, meu caminho para perseguir essa curiosidade.”
