Cientistas desvendam um mistério nuclear de 20 anos por trás da criação do ouro

Elementos pesados ​​como ouro e platina são forjados em condições extraordinárias, inclusive quando estrelas entram em colapso, explodem ou colidem. Esses eventos desencadeiam o processo rápido de captura de nêutrons (ou processo r, para abreviar). Durante este processo, um núcleo atômico absorve nêutrons em rápida sucessão. À medida que o núcleo fica mais pesado e mais instável, ele eventualmente se decompõe em formas mais leves e mais estáveis.

Ao longo deste caminho através do gráfico de nuclídeos, uma sequência comum 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 isso, os cientistas dependem fortemente de modelos teóricos, que devem ser testados e refinados a partir de dados de laboratório.

Estudando núcleos raros com a instalação 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 Dyszel e Jacob Gouge, o professor Robert Grzywacz, o professor associado Miguel Madurga e a pesquisadora associada Monika Piersa-Silkowska. Seu trabalho também se baseou em métodos de análise de dados desenvolvidos pelo Professor Assistente de Pesquisa Zhengyu Xu.

Os pesquisadores começaram com grandes quantidades do raro isótopo índio-134.

“Esses núcleos são difíceis de fabricar e exigem muitas tecnologias novas para serem sintetizados em quantidades suficientes”, explicou Grzywacz.

A equipe realizou os experimentos na Estação de Decaimento ISOLDE no CERN, que produziu abundantes núcleos de índio-134 e usou técnicas avançadas de separação a laser para garantir sua pureza. Quando o índio-134 sofre decaimento, gera formas excitadas de estanho-134, estanho-133 e estanho-132.

Usando um detector de nêutrons financiado pelo programa de instrumentação de pesquisa principal 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.

“A emissão de dois nêutrons é o maior problema”, disse Grzywacz.

A emissão de dois nêutrons com atraso beta ocorre apenas em núcleos exóticos, que são instáveis ​​e existem apenas brevemente. A energia necessária para separar dois nêutrons do núcleo é extremamente pequena, mas neste experimento foi grande o suficiente para ser medida.

“A razão pela qual isto é difícil é porque os nêutrons gostam de saltar. É difícil dizer se são um ou dois”, explicou Grzywacz. Nas tentativas anteriores, “ninguém mediu energias”, portanto esta abordagem “abre um campo completamente novo”.

Esta pesquisa marca o primeiro estudo detalhado da emissão de dois nêutrons de um núcleo que se encontra ao longo da via do processo r. Os resultados fornecem informações valiosas para melhorar os modelos que descrevem como os eventos estelares criam elementos pesados, como o ouro.

Um estado de nêutrons há muito procurado no estanho

A segunda grande descoberta da equipe foi a primeira observação de um estado de nêutrons de partícula única previsto há muito tempo no estanho-133. Segundo Grzywacz, o núcleo começa em estado excitado e deve liberar energia para se estabilizar.

“O estanho está em um estado excitado. (Ele) precisa 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 libertava neutrões para arrefecer, perdendo efetivamente qualquer vestígio do evento anterior de decaimento beta. Nesse cenário, o núcleo se comporta como um “núcleo amnésico”, sem memória de como foi formado.

“Dizemos que a lata não esquece”, disse Grzywacz. “Essa ‘sombra’ do índio 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 actuais estão incompletas e que os cientistas precisam de uma estrutura mais sofisticada para explicar porque é que alguns decaimentos libertam um neutrão enquanto outros libertam dois.

“As pessoas procuravam por isso há 20 anos e nós o encontramos”, disse Grzywacz. “Esses dois nêutrons nos permitiram ver este estado.”

Ele observou que o estado recentemente observado representa um estágio intermediário na sequência de emissão de dois nêutrons. Também representa a excitação elementar final do núcleo de estanho-133, ajudando a completar o quadro da estrutura nuclear e melhorando a precisão dos cálculos teóricos.

Uma terceira descoberta desafia os modelos existentes

O estudo também revelou um terceiro resultado importante. Os pesquisadores observaram uma população não estatística deste estado recém-identificado. Em termos simples, a forma como o estado é povoado durante a decadência não segue os padrões que os cientistas normalmente esperam.

Grzywacz explicou que o ambiente de decomposição neste experimento é relativamente limpo. Os estados nucleares estão separados em vez de amontoados.

“Você não está fazendo sopa de ervilha”, disse ele. “Ainda assim, na maioria dos casos, ele se comporta como uma sopa de ervilhas. De alguma forma, esse mecanismo estatístico acontece. Por que é estatístico, embora não devesse ser, e por que, em nosso elenco, não é”?

As descobertas sugerem que, à medida que os cientistas exploram regiões da paisagem nuclear mais distantes da estabilidade, especialmente entre núcleos exóticos como o Tennessine, os modelos existentes podem já não ser aplicáveis. Provavelmente serão necessárias novas abordagens teóricas para descrever estes sistemas extremos.

A curiosidade que impulsiona novas descobertas

A busca por modelos aprimorados de estrutura nuclear e formação de elementos oferece grandes oportunidades para cientistas em início de carreira, como Dyszel. Ele se juntou ao grupo de pesquisa de Grzywacz em 2022 e foi o primeiro autor do Cartas de revisão física artigo descrevendo as descobertas.

Suas responsabilidades durante o experimento foram extensas. Dyszel construiu estruturas para detectores de rastreamento de nêutrons e os montou dentro do aparato experimental. Ele instalou sistemas eletrônicos, construiu detectores beta, realizou medições de teste, ajudou a desenvolver software de aquisição de dados, ajustou sistemas de temporização e analisou os dados resultantes. Apesar de seu amplo papel, o projeto continuou sendo um esforço colaborativo envolvendo muitos pesquisadores.

“O sucesso deste trabalho deve-se em parte aos meus colegas e colaboradores, cuja orientação e contributo construtivo foram cruciais”, disse ele.

Originário de Jacksonville, Flórida, Dyszel ingressou na UT depois de se formar em física pela University of North Florida. Seu interesse pela ciência nuclear começou mais cedo, durante um curso de química geral, quando aprendeu sobre o decaimento beta. A ideia de que as transformações nucleares poderiam criar elementos inteiramente novos com propriedades diferentes chamou sua atenção, levando-o inicialmente a considerar uma licenciatura em química.

“Só quando comecei meu bacharelado é que entrei em uma aula de física, o que me levou instantaneamente a me formar em física”, explicou ele. “Sempre tive interesse em entender como o mundo funciona, e a física foi, e continua sendo, o caminho que quero seguir na busca por essa curiosidade.”