Os físicos do MIT introduziram uma técnica para estudar o interior de um núcleo atômico, contando com os próprios elétrons do átomo para atuarem como “mensageiros” dentro da molécula.
Publicado em ” ciênciaA equipe mediu com precisão a energia dos elétrons orbitando átomos de rádio, que se combinam quimicamente com átomos de flúor para formar monofluoreto de rádio. Ao usar um ambiente molecular como substituto microscópico para um colisor de partículas, eles confinaram os elétrons dos átomos de rádio e aumentaram a probabilidade de alguns elétrons passarem brevemente pelo núcleo.
Experimentos tradicionais para estudar a estrutura interna dos núcleos dependem de aceleradores de escala quilométrica, onde feixes de elétrons acelerados atingem e dividem o núcleo. A nova abordagem centrada na molécula fornece uma abordagem compacta e de mesa para sondar diretamente o interior do núcleo.
Abordagem de desktop para detectar “mensagens” nucleares
Usando monofluoreto de rádio, os pesquisadores rastrearam a energia dos elétrons do átomo de rádio à medida que se moviam dentro da molécula. Eles observaram pequenas mudanças na energia e concluíram que alguns elétrons devem ter entrado brevemente no núcleo e interagido com o material interno. Quando esses elétrons saem, eles retêm a mudança de energia, carregando efetivamente “informações” nucleares que revelam as características internas do núcleo.
O método abre caminhos para medir a “distribuição magnética” dos núcleos. Dentro do núcleo, cada próton e nêutron se comportam como um minúsculo ímã, e sua orientação depende de como essas partículas estão dispostas. A equipa planeia usar a técnica para mapear esta propriedade do rádio pela primeira vez, um passo que poderá esclarecer um dos enigmas centrais da cosmologia: porque é que o Universo contém muito mais matéria do que antimatéria.
“Nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes destinados a medir a quebra de simetria fundamental no nível nuclear”, disse o co-autor do estudo Ronald Fernando Garcia-Ruiz, Thomas A. Frank Professor Associado de Física no MIT. “Isso poderia fornecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna.”
Os co-autores do MIT incluem Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson, bem como colaboradores de várias instituições, incluindo o Experimento de Espectroscopia de Ionização por Ressonância Collinear (CRIS) no CERN na Suíça, que conduziu os experimentos.
Desequilíbrio matéria-antimatéria e o papel do rádio
De acordo com o entendimento atual, o universo primitivo deveria conter quantidades quase iguais de matéria e antimatéria. No entanto, quase tudo o que podemos detectar hoje é feito de matéria feita de prótons e nêutrons dentro dos núcleos atômicos.
Esta observação entra em conflito com as expectativas do Modelo Padrão e sugere que são necessárias fontes adicionais de quebra de simetria fundamental para explicar a escassez de antimatéria. Este efeito pode ocorrer nos núcleos de certos átomos, incluindo o rádio.
Ao contrário da maioria dos núcleos atômicos, que são quase esféricos, o núcleo do rádio tem formato assimétrico em forma de pêra. Os teóricos prevêem que esta geometria pode amplificar sinais de quebra de simetria o suficiente para torná-los observáveis.
“Prevê-se que o núcleo do rádio seja um amplificador desta quebra de simetria porque o seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é incomum”, disse Garcia Ruiz, cuja equipa trabalha no desenvolvimento de métodos para sondar núcleos de rádio em busca de sinais de quebra de simetria fundamental.
Construindo experimentos moleculares ultrassensíveis Olhar para dentro de um núcleo de rádio para testar simetrias fundamentais é extremamente desafiador.
“O rádio é naturalmente radioativo e de vida curta, e atualmente só podemos produzir pequenas quantidades de moléculas de monofluoreto de rádio”, disse o principal autor do estudo, Shane Wilkins, ex-pós-doutorado do MIT. “Portanto, precisamos de técnicas extremamente sensíveis para medi-los.”
A equipe percebeu que incorporar átomos de rádio em uma molécula poderia confinar e amplificar o comportamento de seus elétrons.
“Quando você coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, seus elétrons experimentam um campo elétrico interno que é ordens de magnitude maior do que os campos elétricos que geramos e aplicamos no laboratório”, explica o coautor do estudo Silviu-Marian Udrescu, Ph.D. ’24. “De certa forma, a molécula atua como um colisor de partículas gigante, dando-nos uma melhor chance de detectar o núcleo do rádio”.
A transferência de energia revela onde os elétrons encontram os núcleos atômicos
Os pesquisadores produziram monofluoreto de rádio emparelhando átomos de rádio com átomos de flúor. Nesta molécula, os elétrons do rádio são efetivamente comprimidos, o que aumenta suas chances de interagir e entrar brevemente no núcleo do rádio.
Eles então capturaram e resfriaram as moléculas, guiaram-nas através de uma câmara de vácuo e as iluminaram com lasers projetados para interagir com as moléculas. Este dispositivo pode medir com precisão a energia dos elétrons dentro de cada molécula.
A energia medida difere ligeiramente do que seria esperado com base no fato de os elétrons não entrarem no núcleo. Embora a mudança de energia seja apenas cerca de um milionésimo da energia dos fótons do laser usados para excitar as moléculas, ela fornece evidências claras de elétrons interagindo com prótons e nêutrons dentro do núcleo do rádio.
“Existem muitos experimentos que medem as interações entre o núcleo e os elétrons fora do núcleo, e sabemos como são essas interações”, explica Wilkins. “Quando medimos estas energias electrónicas com muita precisão, assumindo que interagiam apenas fora do núcleo, os resultados não foram exactamente o que esperávamos. Isto disse-nos que a diferença deve ser devida às interacções electrónicas dentro do núcleo.”
“Agora temos evidências de que podemos coletar amostras do interior do núcleo”, diz García-Ruiz. “É como medir o campo elétrico de uma bateria. Pode-se medir o campo elétrico fora da bateria, mas medir o campo elétrico dentro da bateria é mais desafiador. E é isso que podemos fazer agora.”
Próximos passos: mapear forças e testar simetrias
No futuro, a equipe planeja aplicar novas técnicas para mapear a distribuição de forças dentro dos núcleos atômicos. Até agora, seus experimentos envolveram núcleos de rádio posicionados dentro de cada molécula em orientações aleatórias em altas temperaturas. Garcia Ruiz e seus colaboradores esperam ser capazes de resfriar essas moléculas e controlar a orientação de seus núcleos em forma de pêra para que possam mapear seu conteúdo com precisão e procurar violações de simetrias fundamentais.
“Espera-se que as moléculas que contêm rádio sejam sistemas extremamente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza”, disse García-Ruiz. “Agora temos os meios para procurá-los.”
Esta pesquisa foi apoiada em parte pelo Departamento de Energia dos EUA.
