Para os cientistas que estudam a matéria com energias extremas, compreender como é que átomos tão grandes como o chumbo se desfazem quando se aproximam uns dos outros — sem realmente colidirem — é uma forma importante de aprender sobre as forças que governam o universo. Estas raras interacções, nas quais os átomos de chumbo influenciam-se mutuamente através dos seus poderosos campos eléctricos, proporcionam uma oportunidade única para observar como a energia das partículas de luz chamadas fotões pode perturbar as estruturas atómicas. Os investigadores decidiram estudar mais de perto como os protões, as partículas carregadas positivamente encontradas no núcleo, são libertados durante este processo, o que poderia ajudar a melhorar os modelos que descrevem tais interacções e ajudar a desenvolver futuras instalações de investigação, como o colisor de electrões-iões, uma máquina de próxima geração para estudar o núcleo.
Sob a égide da Colaboração ALICE, a equipe de pesquisa que trabalha com o experimento Large Ion Collider, uma importante iniciativa de física de partículas da Organização Europeia para Pesquisa Atômica, coletou dados usando os sistemas avançados de detecção do experimento no maior acelerador de partículas do mundo, o Large Hadron Collider. Eles conduziram a primeira investigação detalhada de eventos em que prótons são emitidos junto com nêutrons, partículas neutras localizadas no núcleo, quando os átomos de chumbo se movem uns pelos outros em altas velocidades. As suas descobertas, publicadas na Physical Review C, mostram como diferentes combinações de partículas foram libertadas e compararam estas observações com previsões feitas por uma ferramenta de simulação amplamente utilizada chamada modelo relativístico de deflexão electromagnética, que estima como os núcleos se separam sob a influência de forças eléctricas.
Na maioria das vezes, estes eventos de ruptura não resultam na emissão de prótons, confirmando que tais efeitos são relativamente raros. No entanto, quando os prótons foram emitidos, os padrões foram claramente observados. A equipe descobriu que o modelo correspondia estreitamente aos casos observados em que nenhum próton ou vários prótons foram emitidos juntos. No entanto, parecia subestimar a frequência de eventos envolvendo um ou dois prótons. Os pesquisadores também estudaram casos em que um próton foi emitido junto com um, dois ou três nêutrons e descobriram que o modelo superestimou a frequência de tais eventos.
Talvez o mais importante seja que a forma como essas partículas foram emitidas parecia coincidir com a formação de novas formas de elementos químicos. Quando apenas nêutrons foram emitidos, foram criadas diferentes versões de chumbo chamadas isótopos. Quando um ou mais prótons são emitidos, os elementos resultantes incluem tálio, mercúrio e ouro. Estas descobertas ajudam os cientistas a compreender melhor como os componentes dos átomos se reorganizam durante estas interações e que tipo de nova matéria emerge. Como explicou Acharya, “o modelo relativístico de deflexão eletromagnética sugere que essas emissões de prótons e nêutrons estão associadas à produção de elementos como tálio e ouro, que agora observamos com maior clareza”.
Com a ajuda de detectores altamente sensíveis posicionados para detectar partículas que se movem em ângulos acentuados, a equipe mediu prótons e nêutrons com alta precisão. Detectores projetados para medir prótons foram alinhados diretamente com o caminho do feixe do átomo de chumbo, enquanto outros foram usados para detectar nêutrons. Os cientistas usaram um método estatístico cuidadoso para interpretar as medições de energia desses dispositivos, usando padrões e probabilidades nos dados coletados. Esta abordagem permitiu-lhes identificar fenómenos relevantes para o seu estudo. Eles fizeram os ajustes necessários em suas análises para contabilizar partículas não detectadas ou identificadas incorretamente. Esta área de pesquisa é particularmente importante porque os prótons perdem mais energia e viajam de maneira diferente dos nêutrons.
Estas descobertas melhoram a nossa compreensão de como grandes estruturas atómicas se quebram quando afetadas pelos campos elétricos de átomos próximos. Ao mesmo tempo, o estudo desafia partes do modelo relativístico de deflexão eletromagnética, mostrando que, embora seja uma ferramenta valiosa, são necessárias melhorias. Dr. Como observou Acharya, “Esses resultados servem como referência para modelos teóricos e apoiam o projeto de instalações futuras onde a compreensão de tais processos de dissociação é essencial.”
Olhando para o panorama geral, esta pesquisa combina dados experimentais com previsões feitas por simulações de computador, que são modelos digitais usados para imitar fenômenos físicos. O trabalho da equipe do Large Ion Collider Experiment representa um avanço significativo na ciência nuclear. Ele fornece uma compreensão mais clara de como os átomos de chumbo se comportam sob condições extremas e esclarece como os elementos atômicos se recombinam em novos materiais no espaço e em ambientes laboratoriais.
Nota de diário
S. Acharya et al., “Emissão de prótons em colisões ultraperiféricas Pb-Pb em √sNN = 5,02 TeV,” Physical Review C, 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevC.111.054906
Sobre os professores
Alice (A Large Ion Collider Experiment) é um grande grupo de pesquisa internacional da Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN). Ele se concentra no estudo do comportamento da matéria sob condições extremas, particularmente as propriedades do plasma de quark-glúon – o estado da matéria que se supõe existir após o Big Bang. Usando as poderosas colisões de partículas geradas pelo Large Hadron Collider, ALICE investiga como os núcleos se quebram e se reformam quando expostos a temperaturas e densidades de energia incrivelmente altas. A colaboração inclui centenas de cientistas e engenheiros de instituições de todo o mundo, todos trabalhando juntos para explorar os blocos de construção fundamentais do universo. Os sistemas avançados de detecção do ALICE são especialmente projetados para analisar colisões de íons pesados envolvendo núcleos de chumbo, fornecendo informações sobre a força forte que une prótons e nêutrons. O projeto desempenha um papel importante no avanço da nossa compreensão da física nuclear e do universo primitivo.
