Físicos do MIT introduziram uma técnica para estudar o interior do núcleo de um átomo, confiando nos próprios elétrons do átomo como “mensageiros” dentro de uma molécula.
Em pesquisa publicada em 23 de outubro na Science, a equipe mediu com precisão a energia dos elétrons que orbitam um átomo de rádio quimicamente ligado a um átomo de flúor, formando o monofluoreto de rádio. Ao usar o ambiente molecular como um substituto microscópico para um colisor de partículas, eles confinaram os elétrons do átomo de rádio e aumentaram a probabilidade de que alguns passassem brevemente pelo núcleo.
Experimentos tradicionais que investigam interiores nucleares dependem de aceleradores de escala quilométrica que aceleram feixes de elétrons para colidir e fragmentar núcleos. A nova abordagem centrada na molécula fornece uma forma compacta e de mesa para sondar diretamente o interior de um núcleo.
Método de Mesa Detecta “Mensagens” Nucleares
Trabalhando com o monofluoreto de rádio, os pesquisadores acompanharam as energias dos elétrons do átomo de rádio enquanto se moviam dentro da molécula. Eles observaram uma pequena alteração na energia e concluíram que alguns elétrons devem ter entrado brevemente no núcleo e interagido com o que está dentro. À medida que esses elétrons saíam, eles retinham a mudança de energia, carregando efetivamente uma “mensagem” nuclear que revela características do interior do núcleo.
O método abre um caminho para medir a “distribuição magnética nuclear”. Dentro de um núcleo, cada próton e nêutron se comporta como um pequeno ímã, e suas orientações dependem de como essas partículas estão dispostas. A equipe planeja usar a técnica para mapear essa propriedade no rádio pela primeira vez, um passo que pode informar um dos principais enigmas da cosmologia: por que o universo contém muito mais matéria do que antimateria.
“Nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que visam medir violações de simetrias fundamentais no nível nuclear,” diz o coautor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz, que é o Professor Associado Thomas A. Franck de Física no MIT. “Isso pode fornecer respostas a algumas das questões mais urgentes da física moderna.”
Os co-autores do MIT incluem Shane Wilkins, Silviu-Marian Udrescu e Alex Brinson, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Collinear Resonance Ionization Spectroscopy Experiment (CRIS) no CERN na Suíça, onde os experimentos foram realizados.
Imbalance Matter-Antimatéria e o Papel do Rádio
De acordo com o entendimento atual, o universo primitivo deveria conter quantidades quase iguais de matéria e antimateria. No entanto, quase tudo que podemos detectar hoje é matéria construída a partir de prótons e nêutrons dentro de núcleos atômicos.
Essa observação entra em conflito com as expectativas do Modelo Padrão, sugerindo que fontes adicionais de violação de simetria fundamental são necessárias para explicar a escassez de antimateria. Esses efeitos podem aparecer dentro dos núcleos de certos átomos, incluindo o rádio.
Ao contrário da maioria dos núcleos, que são próximos de esféricos, o núcleo do rádio tem uma forma assimétrica, semelhante a uma pêra. Teóricos preveem que essa geometria pode amplificar sinais de violação de simetria o suficiente para torná-los potencialmente observáveis.
“O núcleo do rádio é previsto para ser um amplificador dessa quebra de simetria, pois seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante incomum,” diz Garcia Ruiz, cujo grupo tem se concentrado no desenvolvimento de métodos para sondar núcleos de rádio em busca de sinais de violação de simetria fundamental.
Construindo Experimentos Moleculares Ultra-Sensíveis Espiar dentro de um núcleo de rádio para testar simetrias fundamentais é extremamente desafiador.
“O rádio é naturalmente radioativo, com uma vida curta e atualmente só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades microscópicas,” diz Shane Wilkins, autor principal do estudo e ex-pós-doutorando no MIT. “Portanto, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para poder medi-las.”
A equipe reconheceu que embutir um átomo de rádio em uma molécula poderia confinar e aumentar o comportamento de seus elétrons.
“Quando você coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que seus elétrons experimentam é ordens de magnitude maior em comparação com os campos que podemos produzir e aplicar em um laboratório,” explica Silviu-Marian Udrescu, PhD ’24, coautor do estudo. “De certa forma, a molécula atua como um grande colisor de partículas e nos dá uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio.”
Deslocamento de Energia Revela Encontros Elétron-Núcleo
Os pesquisadores criaram o monofluoreto de rádio emparelhando átomos de rádio com átomos de flúor. Nesta molécula, os elétrons do rádio são efetivamente comprimidos, o que aumenta a chance de interagirem e entrarem brevemente no núcleo do rádio.
Em seguida, eles prenderam e resfriaram as moléculas, guiando-as através de câmaras de vácuo e iluminando-as com lasers ajustados para interagir com as moléculas. Essa configuração permitiu medições precisas das energias dos elétrons dentro de cada molécula.
As energias medidas mostraram uma diferença sutil em relação às expectativas baseadas em elétrons que não entram no núcleo. Embora a mudança de energia tenha sido apenas cerca de um milionésimo da energia do fóton do laser usado para excitar as moléculas, ela forneceu uma evidência clara de que os elétrons interagiram com prótons e nêutrons dentro do núcleo de rádio.
“Existem muitos experimentos medindo interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e sabemos como essas interações se parecem,” explica Wilkins. “Quando fomos medir essas energias dos elétrons com muita precisão, não se encaixou exatamente no que esperávamos, assumindo que elas interagiam apenas fora do núcleo. Isso nos disse que a diferença deveria se dever a interações dos elétrons dentro do núcleo.”
“Agora temos prova de que podemos amostrar dentro do núcleo,” diz Garcia Ruiz. “É como ser capaz de medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas podem medir seu campo externamente, mas medir dentro da bateria é muito mais desafiador. E é isso que podemos fazer agora.”
Próximos Passos: Mapeando Forças e Testando Simetrias
No futuro, a equipe planeja aplicar a nova técnica para mapear a distribuição das forças dentro do núcleo. Seus experimentos até agora envolveram núcleos de rádio que estão em orientações aleatórias dentro de cada molécula a alta temperatura. Garcia Ruiz e seus colaboradores gostariam de ser capazes de resfriar essas moléculas e controlar as orientações de seus núcleos em forma de pêra de modo que possam mapear precisamente seu conteúdo e buscar a violação de simetrias fundamentais.
“Moléculas contendo rádio são previstas para serem sistemas excepcionalmente sensíveis na busca por violações das simetrias fundamentais da natureza,” diz Garcia Ruiz. “Agora temos uma maneira de realizar essa busca.”
Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA.
