Um “colisor microscópico” para espiar o núcleo atómico

Durante décadas, para investigar o que acontece no interior do núcleo de um átomo, cientistas têm recorrido a aceleradores e colisores de partículas de alta complexidade, capazes de despedaçar núcleos ao bombardeá-los com elétrons.

Essas máquinas costumam exigir instalações enormes - por vezes com vários quilómetros de extensão - para acelerar elétrons a velocidades extremas e, assim, tentar arrancar do núcleo as suas informações mais difíceis de obter.

Uma alternativa em pequena escala: elétrons como “mensageiros” numa molécula diatómica

Um novo estudo propõe um caminho bem mais simples e compacto. Em vez de depender de toda a parafernália de um colisor, os autores obtiveram sinais vindos de dentro do núcleo usando os próprios elétrons do átomo como “mensageiros”, no contexto de uma molécula diatómica.

A estratégia consistiu em unir um átomo de rádio a um átomo de flúor, formando uma molécula de monofluoreto de rádio. Ao tirar partido das características do ambiente intramolecular, eles montaram, na prática, um colisor microscópico: por instantes, elétrons do rádio conseguiram penetrar no núcleo.

Com isso, a equipa pôde acompanhar com grande precisão as energias dos elétrons na molécula - e os dados revelaram uma mudança energética sutil. A interpretação é que os elétrons fizeram incursões rápidas no núcleo do rádio e interagiram com o que existe no seu interior.

Esse tipo de sinal pode abrir uma forma inédita de medir a distribuição magnética de um núcleo, isto é, como a organização de prótons e nêutrons influencia as suas propriedades magnéticas.

O núcleo do rádio e a busca por violações de simetrias fundamentais

Os investigadores ressaltam que este é um passo inicial, mas dizem pretender usar a técnica para iluminar melhor o núcleo do rádio. Um avanço desse tipo pode contribuir para atacar enigmas centrais da física, incluindo por que o Universo aparenta conter muito mais matéria do que antimatéria.

“Os nossos resultados estabelecem as bases para estudos subsequentes que visam medir violações de simetrias fundamentais ao nível nuclear”, afirma o físico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e coautor do estudo, Ronald Fernando Garcia Ruiz. “Isto poderia fornecer respostas para algumas das questões mais urgentes da física moderna.”

Modelos atuais indicam que o Universo recém-nascido deveria ter exibido quantidades aproximadamente iguais de matéria e antimatéria - no entanto, a antimatéria é estranhamente rara. Hoje, observamos predominantemente matéria no Universo, o que sugere uma quebra da simetria que se esperaria entre ambas.

Os cientistas suspeitam que parte da explicação esteja escondida em certos núcleos atómicos, cujo “miolo” pode guardar pistas sobre a escassez dos equivalentes de antimatéria.

Segundo os autores, o rádio é um candidato especialmente promissor por causa da forma do seu núcleo, descrita como semelhante a uma pera. Enquanto a maioria dos núcleos atómicos é esférica, a estrutura assimétrica do rádio pode aumentar a chance de observar violações de simetrias fundamentais.

“O núcleo do rádio é previsto como um amplificador dessa quebra de simetria, porque o seu núcleo é assimétrico em carga e massa, o que é bastante incomum”, diz Garcia Ruiz.

Ainda assim, trata-se de um desafio difícil.

“O rádio é naturalmente radioativo, com um tempo de vida curto, e atualmente só conseguimos produzir moléculas de monofluoreto de rádio em quantidades minúsculas”, diz o autor principal e físico Shane Wilkins, ex-pós-doutorando do MIT e hoje na Universidade Estadual de Michigan. “Por isso, precisamos de técnicas incrivelmente sensíveis para conseguir medi-las.”

Como o monofluoreto de rádio ajuda a “forçar” elétrons a entrar no núcleo

A chave, explica o coautor Silviu-Marian Udrescu - físico na Universidade Johns Hopkins, que colaborou no estudo quando era estudante de pós-graduação no MIT -, é colocar o átomo de rádio dentro de uma molécula, onde as atividades eletrónicas ficam simultaneamente contidas e intensificadas.

“Quando se coloca esse átomo radioativo dentro de uma molécula, o campo elétrico interno que os seus elétrons experimentam é muitas ordens de grandeza maior do que os campos que conseguimos produzir e aplicar num laboratório”, afirma Udrescu. “De certa forma, a molécula funciona como um colisor de partículas gigante e dá-nos uma chance melhor de sondar o núcleo do rádio.”

No monofluoreto de rádio, os elétrons do átomo de rádio ficam limitados de modo a aumentar a probabilidade de entrarem no núcleo. Os investigadores aprisionaram e arrefeceram as moléculas e, em seguida, usaram lasers para medir as energias dos elétrons no seu interior.

Pequenos - porém relevantes - desvios nos resultados sugeriram essas entradas no núcleo.

“Há muitos experimentos que medem interações entre núcleos e elétrons fora do núcleo, e sabemos como essas interações se parecem”, diz Wilkins.

“Quando fomos medir essas energias eletrónicas com muita precisão, não fechou com o que esperávamos assumindo que elas interagiam apenas fora do núcleo”, acrescenta. “Isso indicou que a diferença devia-se a interações de elétrons dentro do núcleo.”

A equipa relata que a descoberta pode transformar a forma como estudamos núcleos atómicos, embora seja bem conhecido o quão teimosamente evasivas as partículas subatómicas podem ser; elas não entregam os seus segredos com facilidade.

“Agora temos prova de que conseguimos amostrar o interior do núcleo. É como conseguir medir o campo elétrico de uma bateria. As pessoas conseguem medir o campo do lado de fora, mas medir dentro da bateria é muito mais difícil. E é isso que conseguimos fazer agora”, afirma Garcia Ruiz.

“Prevê-se que moléculas contendo rádio sejam sistemas excecionalmente sensíveis para procurar violações das simetrias fundamentais da natureza”, acrescenta. “Agora temos uma forma de realizar essa busca.”

O estudo foi publicado na revista Science.