O ouro não pode se formar até que certos núcleos atômicos instáveis decaiam. Durante muito tempo foi difícil determinar exatamente como ocorrem essas transformações nucleares. 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 dos eventos estelares que criam elementos pesados e a prever melhor o comportamento de núcleos atómicos exóticos.
Elementos pesados como ouro e platina são forjados em condições extremas, inclusive quando estrelas entram em colapso, explodem ou colidem. Esses eventos causam o rápido processo de captura de nêutrons (ou processo r, para abreviar). Durante este processo, o núcleo atômico absorve nêutrons em rápida sucessão. À medida que o núcleo se torna mais pesado e mais instável, ele eventualmente se divide em formas mais leves e mais estáveis.
Ao longo deste caminho através do diagrama de nuclídeos, a sequência usual envolve o decaimento beta do núcleo pai seguido pela liberação de dois nêutrons. Os núcleos atômicos envolvidos nessas reações são extremamente raros e instáveis, tornando-os difíceis ou mesmo impossíveis de serem estudados diretamente em experimentos. Por causa disso, os cientistas dependem fortemente de modelos teóricos que precisam ser testados e refinados com dados de laboratório.
Estudo de núcleos raros nas instalações ISOLDE do CERN
Para investigar o processo mais de perto, os pesquisadores da UT colaboraram com cientistas de diversas instituições. A equipe incluiu os alunos de pós-graduação da UT Peter Dishel e Jakob Gouge, o professor Robert Grzewach, o professor associado Miguel Madurga e a pesquisadora associada Monika Pearce-Silkowska. Seu trabalho também foi baseado em técnicas de análise de dados desenvolvidas pelo Professor Associado Zhenyu Xu.
Os pesquisadores começaram com grandes quantidades do raro isótopo índio-134.
“Esses núcleos são difíceis de produzir e muitas novas tecnologias são necessárias para sintetizá-los em quantidades suficientes”, explicou Grzewach.
A equipe conduziu os experimentos na estação de decaimento ISOLDE do CERN, que criou grandes quantidades de núcleos de índio-134 e usou técnicas avançadas de separação a laser para garantir sua pureza. Quando o índio-134 sofre decaimento, produz as formas excitadas estanho-134, estanho-133 e estanho-132.
Usando um detector de nêutrons financiado pelo Programa de Instrumentos de Pesquisa Básica da National Science Foundation e construído na UT, os cientistas descobriram três descobertas principais. O resultado mais significativo foi a primeira medição das energias de nêutrons associadas à emissão de dois nêutrons com atraso beta.
“Emitir dois nêutrons é o maior problema”, disse Grzewach.
A emissão retardada de dois nêutrons beta ocorre apenas em núcleos exóticos, que são instáveis e de vida curta. A energia necessária para separar dois nêutrons de um núcleo é muito pequena, mas neste experimento foi grande o suficiente para ser medida.
“A razão pela qual é difícil é porque os nêutrons gostam de saltar. É difícil dizer um ou dois”, explicou Grzewach. Nas tentativas anteriores, “ninguém mediu a energia”, portanto esta abordagem “abre um campo totalmente novo”.
Este estudo marca o primeiro estudo detalhado da emissão de dois nêutrons de um núcleo que está ao longo do 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.
O tão procurado estado de nêutrons do estanho
A segunda grande descoberta da equipe foi a primeira observação do estado de nêutrons há muito previsto de uma única partícula no estanho-133. Segundo Grzewach, o núcleo começa em estado excitado e deve liberar energia para se estabilizar.
“O estanho está em um estado excitado. (Ele) tem que esfriar. Ele pode cuspir um nêutron, ou com energia suficiente, pode cuspir dois nêutrons. Ele deveria sempre cuspir dois nêutrons, mas isso não acontece.”
Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que o núcleo de estanho simplesmente emitia nêutrons para esfriar, perdendo efetivamente qualquer vestígio do decaimento beta anterior. Nesse caso, o núcleo se comporta como um “núcleo amnésico”, sem memória de como foi formado.
“Dizemos que nunca se pode esquecer”, disse Gzhivach. “Esta “sombra” da Índia não desaparece completamente. A memória não se apaga.”
Detectores avançados de nêutrons permitiram aos pesquisadores detectar esse estado nuclear indescritível. A observação sugere que as explicações teóricas atuais estão incompletas e que os cientistas precisam de uma estrutura mais complexa para explicar por que alguns decaimentos libertam um neutrão enquanto outros libertam dois.
“As pessoas o procuram há 20 anos e nós o encontramos”, disse Grzewach. “Esses dois nêutrons nos permitiram ver este estado.”
Ele destacou que o estado recentemente observado é um estágio intermediário na sequência de duas emissões de nêutrons. Também mapeia a excitação elementar final do núcleo de estanho-133, ajudando a completar o quadro da estrutura do núcleo e melhorando a precisão dos cálculos teóricos.
Uma terceira descoberta desafia os modelos existentes
O estudo também revelou uma terceira descoberta importante. Os pesquisadores observaram uma população não estatística deste estado recém-descoberto. Simplificando, a forma como o estado foi povoado durante a dissolução não segue os padrões que os cientistas normalmente esperariam.
Grzewach explicou que o ambiente de decomposição neste experimento é relativamente limpo. As potências nucleares estão divididas, não unidas.
“Você não pode cozinhar sopa de ervilha”, disse ele. “E, no entanto, na maioria dos casos, comporta-se como uma sopa de ervilhas. De alguma forma, este mecanismo estatístico ocorre. Por que é estatístico, embora não devesse ser e por que não o temos”?
As descobertas sugerem que, à medida que os cientistas exploram regiões da paisagem nuclear mais distantes da estabilidade, especialmente entre núcleos exóticos como o Tennessee, os modelos existentes podem já não ser aplicáveis. É provável que sejam necessárias novas abordagens teóricas para descrever estes sistemas extremos.
Curiosidade que impulsiona novas descobertas
A busca por modelos aprimorados de estrutura nuclear e formação de elementos abre grandes oportunidades para cientistas em início de carreira como Diesel. Ingressou no grupo de pesquisa de Grzewach em 2022 e tornou-se o primeiro autor Fichas de exame físico um documento descrevendo as descobertas.
Suas funções durante o experimento foram extensas. Dysel construiu as estruturas para os detectores de rastreamento de nêutrons e os montou no dispositivo experimental. Ele instalou sistemas eletrônicos, projetou detectores beta, realizou medições de teste, ajudou a desenvolver software de aquisição de dados, configurou sistemas de cronometragem e analisou os dados resultantes. Apesar do seu amplo papel, o projeto continuou a ser um esforço colaborativo envolvendo muitos pesquisadores.
“O sucesso deste trabalho deve-se em parte aos meus colegas e funcionários, cuja liderança e contributos construtivos foram fundamentais”, disse ele.
Natural de Jacksonville, Flórida, Diesel ingressou na UT depois de se formar em física pela University of North Florida. Seu interesse pela ciência nuclear começou no início do curso de química geral, quando ele aprendeu sobre o decaimento beta. A ideia de que as transformações nucleares poderiam criar elementos inteiramente novos com propriedades diferentes chamou sua atenção, o que inicialmente o levou a considerar a possibilidade de se formar em química.
“Só quando comecei a graduação é que tive aulas de física, o que me levou instantaneamente a me formar em física”, explicou. “Sempre me interessei em entender como o mundo funciona, e a física tem sido, e ainda é, a forma como desejo perseguir essa curiosidade.”
